基于ARM的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

第二部分是設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的重點(diǎn)——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用的是L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。該芯片是SGS公司的美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的。L298N是一個(gè)高電壓，高電流全橋驅(qū)動(dòng)電路，其支持TTL邏輯標(biāo)準(zhǔn)電平，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的良好方案。其工作的最大電壓可以達(dá)到46V，電流可達(dá)到4A，具有過(guò)電流保護(hù)，低功耗芯片。其有15個(gè)引腳，內(nèi)含兩個(gè)H橋電路，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)四相的步進(jìn)電機(jī)。它接受PWM脈沖波，輸出為跟輸入PWM波占空比一樣的脈沖波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣如果需要改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)調(diào)整PWM的占空比和頻率實(shí)現(xiàn)。該驅(qū)動(dòng)電路可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只需要用GPIO控制L298N的方向引腳，設(shè)置其為低電平或者高電平這樣方可改變其方向。這部分還需要12 V的直流電源，可通過(guò)電壓穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)。
第三部分是鍵盤顯示部分，這部分主要是用來(lái)顯示電機(jī)的速度和給定，左邊顯示了速度的給定，右邊顯示電機(jī)當(dāng)前的速度，其中按鍵用來(lái)設(shè)定電機(jī)調(diào)速的調(diào)整參數(shù)。其設(shè)計(jì)原理是利用ARM的SPI進(jìn)行串行通信實(shí)現(xiàn)每次傳送兩個(gè)字節(jié)，其中第一個(gè)字節(jié)是段碼，該段碼是八段數(shù)碼管的段碼值，它是8個(gè)數(shù)碼管公用的段碼；第二個(gè)字節(jié)是位碼，該位碼的8位分別對(duì)應(yīng)8個(gè)數(shù)碼管的公共端。用兩個(gè)74HC164移位寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位傳輸，并且把8個(gè)按鍵連接到8個(gè)數(shù)碼管的公共端，這樣實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示數(shù)碼管。
3．3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要是包含三個(gè)部分，分別是系統(tǒng)初始化模塊、電機(jī)調(diào)速控制模塊和鍵盤顯示模塊。設(shè)計(jì)流程如圖2所示，其中第一部分系統(tǒng)初始化模塊。主要實(shí)現(xiàn)LPC2131的啟動(dòng)設(shè)置，包括初始化中斷向量表、初始化堆棧、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I／O初始化、外圍設(shè)備初始化、存儲(chǔ)器初始化和地址重映射初始化等操作，這部分主要是用ARM匯編實(shí)現(xiàn)的，為C語(yǔ)言的運(yùn)行提供一個(gè)良好的環(huán)境。

第二部分是電機(jī)調(diào)速模塊。這部分是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其中需要PWM初始化，定時(shí)器捕獲初始化、I／O初始化和PID算法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于PWM模塊的初始化需要兩路PWM以實(shí)現(xiàn)四相電機(jī)時(shí)序來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中PWM的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的速度控制。I／O實(shí)現(xiàn)電機(jī)的方向控制，通過(guò)設(shè)置低電平和高電平設(shè)置不同的電機(jī)轉(zhuǎn)向。定時(shí)器捕獲模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用定時(shí)器捕獲電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)葉子切割紅外線產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)而算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不過(guò)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)得注意電機(jī)的減速比。PID算法以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制，通過(guò)設(shè)置給定轉(zhuǎn)速和捕獲回來(lái)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出下次需要給出的PWM占空比，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的準(zhǔn)確控制。
第三部分是鍵盤顯示模塊。該模塊主要是實(shí)現(xiàn)通過(guò)鍵盤實(shí)時(shí)的調(diào)整PID參數(shù)，那么左邊顯示的是給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，右邊顯示的是當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速。在該模塊中需要定時(shí)器模塊、SPI模塊，其中定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描和獲取按鍵的鍵值；SPI模塊實(shí)現(xiàn)把數(shù)碼管的段碼和位碼串行發(fā)送出去。其中按鍵的功能主要實(shí)現(xiàn)加法、減法、修改和確定，這樣就可以實(shí)時(shí)的根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速修改PID參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)
為了提出一種更高效、實(shí)用性更強(qiáng)、更優(yōu)化的控制系統(tǒng)，本文的控制系統(tǒng)是基于ARM LPC2131來(lái)設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其通過(guò)ARM的高速和豐富的外設(shè)資源對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，具有對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)處理速度快、精度高、良好的人機(jī)界面、操作簡(jiǎn)單和易于維修等特點(diǎn)。