基于ARM的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

摘要：ARM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和生產(chǎn)生活方面，本文設(shè)計一種基于ARM為核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有處理速度快，外圍接口資源豐富，控制方便，精度高等特點。
關(guān)鍵詞：ARM；L298N；電機(jī)控制；步進(jìn)電機(jī)

在現(xiàn)代的工業(yè)控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)是一個重要的執(zhí)行器件，其被廣泛地應(yīng)用于自動化工業(yè)控制系統(tǒng)和機(jī)電一體化的產(chǎn)品。在現(xiàn)代的大部分電子產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中都是以步進(jìn)電機(jī)為動力核心，如工業(yè)機(jī)器人、打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、繪圖儀等。隨著對產(chǎn)品的要求越來越高，對其控制也要求越來越高，以前的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制能力無法滿足現(xiàn)在的要求，因此，提出一種更高效、實用性更強(qiáng)的控制系統(tǒng)變得更加重要。
傳統(tǒng)的工業(yè)控制大多數(shù)是采用8位單片機(jī)為控制內(nèi)核，其價格便宜、設(shè)計簡單，容易滿足一般控制要求，但是該單片機(jī)存儲空間小，外設(shè)資源較少，往往需要與PC機(jī)聯(lián)合控制才能實現(xiàn)，這樣帶來的問題是實時性較差，人機(jī)交互較為復(fù)雜，操作麻煩等問題。采用功能較為強(qiáng)大的32位ARM為控制核心，把電源、電機(jī)控制板、步進(jìn)電機(jī)和人機(jī)界面集成一體將形成一個更為強(qiáng)大的嵌入式一體化控制系統(tǒng)。其優(yōu)勢是控制性能強(qiáng)，實時控制強(qiáng)、人機(jī)界面友好、總體成本低、外設(shè)資源豐富、控制精度高，可以根據(jù)控制情況適時地調(diào)整控制參數(shù)以實現(xiàn)更優(yōu)化控制。本文提出的是基于ARM7內(nèi)核的LPC2131為控制核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動和速度準(zhǔn)確控制，并具有很好的人機(jī)界面。

1 LPC2131概述
根據(jù)系統(tǒng)的實際需要和成本，該系統(tǒng)選擇了NXP公司生產(chǎn)的基于LPC2131，它的CPU是ARM7TDMI，是一種高性能、低功耗、價格便宜的RISC處理器，具有豐富的片上外設(shè)資源，可在3．3 V的電壓下工作，非常適合于嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其主要特點如下：
(1)32位144引腳的ARM7TDMI內(nèi)核；
(2)L／O電壓是3．3 V，CPU工作電壓是1．8 V；
(3)有16K字節(jié)的SRAM，8K的片內(nèi)Flash；
(4)通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)60 MHz的主頻；
(5)對片內(nèi)FLASH支持三種編程方式：ISP，IAP，JTAG在線仿真調(diào)試；
(6)具有兩個低功耗模式：空閑和掉電模式；
(7)2路32位定時器，6路PWM，實時時鐘和看門狗；
(8)具有2路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串口(UART)、高速I2C和2個SPI接口；
(9)8路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換時間可低至2．44 m；
(10)通過配置可有112個GPIO。
綜上所述，LPC2131非常適合于該步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計，并且具有很好的功能擴(kuò)展性。

2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的角度或者位移的執(zhí)行器件。如果電機(jī)沒有超載，電脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的位移長度，負(fù)載的變化對其沒有影響。也就是說只要給電機(jī)一個脈沖，那么電機(jī)就轉(zhuǎn)一個對應(yīng)的角度；按照步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)時序給脈沖，那么電機(jī)就正轉(zhuǎn)，如果給的是反轉(zhuǎn)時序，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的種類很多，按其結(jié)構(gòu)可分為永磁式、激勵式和反應(yīng)式三種，按其相數(shù)分可分為單相、兩相和多相三種。
2．1 步進(jìn)電機(jī)的主要特征
(1)步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動電路才能轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動電脈沖信號，如果沒有脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)靜止不動，如果按照電機(jī)的驅(qū)動時序驅(qū)動電機(jī)，則電機(jī)按照一定的方向轉(zhuǎn)動。電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度與脈沖的頻率正比關(guān)系，不受負(fù)載影響。
(2)步進(jìn)電機(jī)可以方便地實現(xiàn)瞬間啟動、急速停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且速度響應(yīng)特性好。
(3)步進(jìn)電機(jī)沒有累計誤差，因為步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差，完成一周以后誤差清零。
(4)步進(jìn)電機(jī)可以通過改變電脈沖信號的順序?qū)崿F(xiàn)改變其轉(zhuǎn)動方向。
(5)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止時可以實現(xiàn)自鎖。
(6)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號一般要專門的控制電路產(chǎn)生，不能直接使用普通的交流或直流電源驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成驅(qū)動控制系統(tǒng)方可使用。
2．2 步進(jìn)電機(jī)的測速辦法
將驅(qū)動信號的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或者線位移，這樣的測速優(yōu)勢是：
(1)過載性好：由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受負(fù)載的影響，即當(dāng)負(fù)載加大時電機(jī)的速度保持不變。
(2)容易控制：由于步進(jìn)電機(jī)是一步一步的運轉(zhuǎn)，可以按角度來對其控制。
(3)整體結(jié)構(gòu)簡單：由于測速是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端實現(xiàn)閉環(huán)控制，整體結(jié)構(gòu)減少了傳統(tǒng)的機(jī)械部分和位置控制結(jié)構(gòu)部分。