基于ARM的步進電機控制系統

摘要：ARM已經被廣泛應用于工業控制和生產生活方面，本文設計一種基于ARM為核心的步進電機控制系統，該系統相對于傳統單片機控制系統，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。
關鍵詞：ARM；L298N；電機控制；步進電機

在現代的工業控制系統中步進電機是一個重要的執行器件，其被廣泛地應用于自動化工業控制系統和機電一體化的產品。在現代的大部分電子產品和工業產品中都是以步進電機為動力核心，如工業機器人、打印機、數控機床、繪圖儀等。隨著對產品的要求越來越高，對其控制也要求越來越高，以前的步進電機控制系統的控制能力無法滿足現在的要求，因此，提出一種更高效、實用性更強的控制系統變得更加重要。
傳統的工業控制大多數是采用8位單片機為控制內核，其價格便宜、設計簡單，容易滿足一般控制要求，但是該單片機存儲空間小，外設資源較少，往往需要與PC機聯合控制才能實現，這樣帶來的問題是實時性較差，人機交互較為復雜，操作麻煩等問題。采用功能較為強大的32位ARM為控制核心，把電源、電機控制板、步進電機和人機界面集成一體將形成一個更為強大的嵌入式一體化控制系統。其優勢是控制性能強，實時控制強、人機界面友好、總體成本低、外設資源豐富、控制精度高，可以根據控制情況適時地調整控制參數以實現更優化控制。本文提出的是基于ARM7內核的LPC2131為控制核心的步進電機控制系統，實現對步進電機的驅動和速度準確控制，并具有很好的人機界面。

1 LPC2131概述
根據系統的實際需要和成本，該系統選擇了NXP公司生產的基于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資源，可在3．3 V的電壓下工作，非常適合于嵌入式產品的開發。其主要特點如下：
(1)32位144引腳的ARM7TDMI內核；
(2)L／O電壓是3．3 V，CPU工作電壓是1．8 V；
(3)有16K字節的SRAM，8K的片內Flash；
(4)通過片內PLL可實現60 MHz的主頻；
(5)對片內FLASH支持三種編程方式：ISP，IAP，JTAG在線仿真調試；
(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路工業標準的異步串口(UART)、高速I2C和2個SPI接口；
(9)8路數據轉換器(ADC)，轉換時間可低至2．44 m；
(10)通過配置可有112個GPIO。
綜上所述，LPC2131非常適合于該步進電機的控制系統的設計，并且具有很好的功能擴展性。

2 步進電機的工作原理
步進電機是一種將電脈沖轉換為對應的角度或者位移的執行器件。如果電機沒有超載，電脈沖信號的頻率和脈沖數決定步進電機的轉速和電機的位移長度，負載的變化對其沒有影響。也就是說只要給電機一個脈沖，那么電機就轉一個對應的角度；按照步進電機的正轉時序給脈沖，那么電機就正轉，如果給的是反轉時序，那么電機就反轉。步進電機的種類很多，按其結構可分為永磁式、激勵式和反應式三種，按其相數分可分為單相、兩相和多相三種。
2．1 步進電機的主要特征
(1)步進電機需要驅動電路才能轉動，驅動電路產生驅動電脈沖信號，如果沒有脈沖信號，步進電機靜止不動，如果按照電機的驅動時序驅動電機，則電機按照一定的方向轉動。電機轉動的速度與脈沖的頻率正比關系，不受負載影響。
(2)步進電機可以方便地實現瞬間啟動、急速停止、正轉、反轉，并且速度響應特性好。
(3)步進電機沒有累計誤差，因為步進電機只有周期性的誤差，完成一周以后誤差清零。
(4)步進電機可以通過改變電脈沖信號的順序實現改變其轉動方向。
(5)當步進電機停止時可以實現自鎖。
(6)步進電機的驅動信號一般要專門的控制電路產生，不能直接使用普通的交流或直流電源驅動。步進電機必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成驅動控制系統方可使用。
2．2 步進電機的測速辦法
將驅動信號的電脈沖信號轉換為角位移或者線位移，這樣的測速優勢是：
(1)過載性好：由于步進電機的轉速不受負載的影響，即當負載加大時電機的速度保持不變。
(2)容易控制：由于步進電機是一步一步的運轉，可以按角度來對其控制。
(3)整體結構簡單：由于測速是將轉速轉換為電壓，并傳遞到輸入端實現閉環控制，整體結構減少了傳統的機械部分和位置控制結構部分。