基于ARM的步進電機控制系統(tǒng)

第二部分是設計該系統(tǒng)的重點——步進電機驅(qū)動電路，采用的是L298N電機驅(qū)動芯片設計的驅(qū)動電路。該芯片是SGS公司的美國國家半導體公司生產(chǎn)的。L298N是一個高電壓，高電流全橋驅(qū)動電路，其支持TTL邏輯標準電平，是驅(qū)動步進電機的良好方案。其工作的最大電壓可以達到46V，電流可達到4A，具有過電流保護，低功耗芯片。其有15個引腳，內(nèi)含兩個H橋電路，能夠驅(qū)動兩個直流電機和一個四相的步進電機。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)動電機，這樣如果需要改變步進電機的轉(zhuǎn)速，可以通過調(diào)整PWM的占空比和頻率實現(xiàn)。該驅(qū)動電路可以控制電機的轉(zhuǎn)動方向，只需要用GPIO控制L298N的方向引腳，設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，可通過電壓穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)。
第三部分是鍵盤顯示部分，這部分主要是用來顯示電機的速度和給定，左邊顯示了速度的給定，右邊顯示電機當前的速度，其中按鍵用來設定電機調(diào)速的調(diào)整參數(shù)。其設計原理是利用ARM的SPI進行串行通信實現(xiàn)每次傳送兩個字節(jié)，其中第一個字節(jié)是段碼，該段碼是八段數(shù)碼管的段碼值，它是8個數(shù)碼管公用的段碼；第二個字節(jié)是位碼，該位碼的8位分別對應8個數(shù)碼管的公共端。用兩個74HC164移位寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位傳輸，并且把8個按鍵連接到8個數(shù)碼管的公共端，這樣實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示數(shù)碼管。
3．3 軟件設計
軟件設計主要是包含三個部分，分別是系統(tǒng)初始化模塊、電機調(diào)速控制模塊和鍵盤顯示模塊。設計流程如圖2所示，其中第一部分系統(tǒng)初始化模塊。主要實現(xiàn)LPC2131的啟動設置，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、外圍設備初始化、存儲器初始化和地址重映射初始化等操作，這部分主要是用ARM匯編實現(xiàn)的，為C語言的運行提供一個良好的環(huán)境。

第二部分是電機調(diào)速模塊。這部分是該系統(tǒng)設計的重點，其中需要PWM初始化，定時器捕獲初始化、I／O初始化和PID算法實現(xiàn)。對于PWM模塊的初始化需要兩路PWM以實現(xiàn)四相電機時序來控制電機的轉(zhuǎn)動，其中PWM的占空比實現(xiàn)電機電壓的速度控制。I／O實現(xiàn)電機的方向控制，通過設置低電平和高電平設置不同的電機轉(zhuǎn)向。定時器捕獲模塊實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用定時器捕獲電機轉(zhuǎn)動時電機葉子切割紅外線產(chǎn)生的脈沖數(shù)進而算出電機的轉(zhuǎn)速，不過計算電機轉(zhuǎn)速時得注意電機的減速比。PID算法以實現(xiàn)電機的智能控制，通過設置給定轉(zhuǎn)速和捕獲回來的轉(zhuǎn)速，計算出下次需要給出的PWM占空比，以實現(xiàn)電機速度的準確控制。
第三部分是鍵盤顯示模塊。該模塊主要是實現(xiàn)通過鍵盤實時的調(diào)整PID參數(shù)，那么左邊顯示的是給定的電機轉(zhuǎn)速，右邊顯示的是當前的電機轉(zhuǎn)速。在該模塊中需要定時器模塊、SPI模塊，其中定時器模塊實現(xiàn)對數(shù)碼管的動態(tài)掃描和獲取按鍵的鍵值；SPI模塊實現(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現(xiàn)加法、減法、修改和確定，這樣就可以實時的根據(jù)當前的轉(zhuǎn)速修改PID參數(shù)，以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的實時控制。

4 結(jié)束語
為了提出一種更高效、實用性更強、更優(yōu)化的控制系統(tǒng)，本文的控制系統(tǒng)是基于ARM LPC2131來設計的步進電動機控制系統(tǒng)，其通過ARM的高速和豐富的外設資源對步進電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制和實時監(jiān)測控制，具有對步進電機實時控制、數(shù)據(jù)處理速度快、精度高、良好的人機界面、操作簡單和易于維修等特點。