基于LPC2148的步進電機調速和測速系統設計

吳棟念，唐慧強

（南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044）

步進電機的調速和測速系統一般都采用ARM作為控制器，外加分立的數字邏輯電路和模擬電路構成。該系統以LPC2148[1]作為控制核心，合理選擇電動機的頻率控制和閉環反饋控制，實時檢測和調整電機的轉速，使系統既具有良好的穩態性能，又具有良好的動態性能[2]。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

1 系統的工作原理

該系統主要由基于LPC2148為核心的主控電路連接電機驅動電路、通信模塊電路（RS232）、測速電路（霍爾傳感器[3]）、A/D轉換電路等其他電路組成[4]，如圖1所示。圖2為ARM主控芯片。LPC2148為核心的主控電路負責頻率輸出，通過改變頻率的大小來控制電機的轉速，采集電路采集的數據可以通過RS-232接口電路與PC機實現通信。同時LPC2148模塊將采集到的數據進行處理，根據偏差值進一步修正頻率控制信號的輸出。

2 硬件設計

2.1 調速模塊設計

該系統對步進電機進行調速通過調整頻率的方法。步進電機轉速 =f×60/200x，其中x是細分倍數，細分驅動方式下，由于步距角小，步進電機的控制精度明顯提高，同時這種驅動方式又可有效抑制低速運行中產生的噪聲和振蕩現象。步進電機采用1.8°的二相四拍式，200個步進脈沖可以轉一圈。其步進動作時受ARM控制，電機專用驅動器L298對步進電機進行驅動，驅動電路如圖3所示。L298內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46 V、2 A以下的電機。ARM主控制器是通過右端的控制口（A/B）接入，而M1～M4這4個端口用于連接電機，通過右端輸入脈沖信號的變化對其控制。

2.2 霍爾傳感器的測速模塊

2.2.1 霍爾效應

圖2 ARM主控器件電路Fig.2 ARM controller circuit

圖3 L298驅動電路圖Fig.3 L298 drive circuit

一塊長度為l，寬度為b，厚度為d的半導體薄片，當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在其相對兩邊流通控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在該半導體另外兩邊將產生一個與控制電流I和磁感應強度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，該電勢稱為霍爾電勢，該半導體薄片就是霍爾元件，其大小和外磁場及電流成比例。霍爾開關傳感器由于其體積小，無觸點，動態特性好，使用壽命長等特點，廣泛應用于測量轉動物體旋轉速度領域。這里選用SPRAGUE公司生產的霍爾轉速傳感器，它是一種硅單片集成電路，其內部含有穩壓電路、霍爾電勢發生器、放大器、史密特觸發器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單、輸出電平可與各種數字電路兼容等特點。

2.2.2 工作原理

霍爾傳感器信號放大器將霍爾電勢UH放大后再經整形、放大，輸出幅值相等、頻率變化的方波信號，該霍爾電勢的幅值隨磁場強度變化而變化。

轉速的測量方法有很多種，根據脈沖計數實現轉速測量的方法主要有M法（測頻法）、T法（測周期法）和MPT法（頻率周期法）。該系統采用M法（測頻法），霍爾傳感器的測速電路，如圖4所示。

圖4 霍爾傳感器的測速電路Fig.4 Speed measurement circuit of Hall sensor

2.3 其他電路模塊

2.3.1 電源模塊

電源模塊供電時先經過二極管VD1，可防止提供極性相反的電源燒壞硬件，并采用SPX1117M3-3.3型三端穩壓器為微控制器、RS232、霍爾傳感器提供電源，同時也為CAT811R供電。CAT811R微控制器監控電路 （3.3 V電壓時，誤差±5%）用來監控數字系統的電源，它可以產生一個復位信號，該信號在電源電壓低于預置的閾值時和電源電壓上升到該閾值后的140 ms內有效，K1為手動復位按鍵。

2.3.2 RS232接電電路

RS232接口實現與上位機通信，如：向上位機（主機）發送測量到的數據，接收上位機發來的控制指令，進行參數設置及校準操作。與上位機的通信指令采用不定長的ASC代碼指令，用不同的信令頭（SOT）代表不同的控制，并有CRC糾錯以保證數據正確傳輸，信令有統一的結束碼（EOT）。

2.3.3 LCD顯示電路

采用TCM24064B[5]完成圖形顯示、文本顯示以及圖形與文本混合顯示，內置128種 5×8點陣的ASCI字符字模庫CGROM，字符代碼為00H～07H。對液晶顯示器的軟件設計實際是對控制器T6963C的指令操作，T6963C最大的特點是具有獨特的硬件初始值設置功能，顯示驅動所需的參數如占空比、驅動傳輸的字節數/行及字符的字體都有引腳電平設置數，初始化在上電時已基本完成。

3 系統軟件設計

圖5（a）為步進電機的調速系統軟件設計流程圖，主要實現接收主控制器的頻率，圖5（a）為測速系統軟件設計流程圖，用于實現采集實際速度m，并對比輸入速度n，得到是否有偏差（m-n），把偏差值通過A/D轉換電路反饋給主控制器，最后通過PC機調整輸出頻率，從而實現對轉速的調整。

圖5 電機調速和測速控制流程圖Fig.5 Flow chart of motor speed control and speed detect

4 結束語

該系統設計采用LPC2148為核心控制器，利用步進電機調速電路和基于霍爾傳感器的測速電路，大大提高了轉速的穩定性和精確性，而實驗結果也驗證了轉速誤差可控制在±0.2 m/s之內。在調試過程中需要注意的問題是，如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度上升到所希望的高頻；以及解決驅動器通電以后電機抖動不能轉動的問題，遇到這種情況時，首先檢查電機與驅動器L298的連接是否正確；如果沒有接錯，再檢查輸入頻率是否太高；是否升降頻設計不合理；如果以上原因都不是，可能是驅動器被燒毀。基于LPC2148的整個系統有電壓利用率高，功耗低的特點，并且簡化了外圍接口電路的設計[6]。將采集到的信號進行處理，通過反饋電路把誤差值傳回主控芯片，進一步修正輸出頻率，從而提高了轉速精度。

[1]NXP.LPC2148 datasheet[EB/OL].（2008-11-04）[2010-03-20].http://datasheet.eeworld.com.cn/part/37821_PHILIPS_LPC2148.html.

[2]劉錦波.電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]劉恩山，盧光華.霍爾傳感器的應用[J].儀表技術與傳感器，1993（3）:14-16.LIU En-shan，LU Guang-hua.The application of Hall sensors[J].Instrument Technique and Sensor，1993（3）:14-16.

[4]周立功，張華.深入淺出ARM7[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[5]精電蓬遠顯示技術公司內藏T6963C控制驅動器圖形液晶顯示模塊使用手冊[Z].精電蓬遠顯示技術有限公司，2001.

[6]周立功，王祖麟，陳明計，等.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.