基于LPC2148的步进电机调速和测速系统设计

吴栋念，唐慧强

（南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044）

步进电机的调速和测速系统一般都采用ARM作为控制器，外加分立的数字逻辑电路和模拟电路构成。该系统以LPC2148[1]作为控制核心，合理选择电动机的频率控制和闭环反馈控制，实时检测和调整电机的转速，使系统既具有良好的稳态性能，又具有良好的动态性能[2]。

图1 系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of system

1 系统的工作原理

该系统主要由基于LPC2148为核心的主控电路连接电机驱动电路、通信模块电路（RS232）、测速电路（霍尔传感器[3]）、A/D转换电路等其他电路组成[4]，如图1所示。图2为ARM主控芯片。LPC2148为核心的主控电路负责频率输出，通过改变频率的大小来控制电机的转速，采集电路采集的数据可以通过RS-232接口电路与PC机实现通信。同时LPC2148模块将采集到的数据进行处理，根据偏差值进一步修正频率控制信号的输出。

2 硬件设计

2.1 调速模块设计

该系统对步进电机进行调速通过调整频率的方法。步进电机转速 =f×60/200x，其中x是细分倍数，细分驱动方式下，由于步距角小，步进电机的控制精度明显提高，同时这种驱动方式又可有效抑制低速运行中产生的噪声和振荡现象。步进电机采用1.8°的二相四拍式，200个步进脉冲可以转一圈。其步进动作时受ARM控制，电机专用驱动器L298对步进电机进行驱动，驱动电路如图3所示。L298内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46 V、2 A以下的电机。ARM主控制器是通过右端的控制口（A/B）接入，而M1～M4这4个端口用于连接电机，通过右端输入脉冲信号的变化对其控制。

2.2 霍尔传感器的测速模块

2.2.1 霍尔效应

图2 ARM主控器件电路Fig.2 ARM controller circuit

图3 L298驱动电路图Fig.3 L298 drive circuit

一块长度为l，宽度为b，厚度为d的半导体薄片，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在其相对两边流通控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在该半导体另外两边将产生一个与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度，该电势称为霍尔电势，该半导体薄片就是霍尔元件，其大小和外磁场及电流成比例。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，广泛应用于测量转动物体旋转速度领域。这里选用SPRAGUE公司生产的霍尔转速传感器，它是一种硅单片集成电路，其内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。

2.2.2 工作原理

霍尔传感器信号放大器将霍尔电势UH放大后再经整形、放大，输出幅值相等、频率变化的方波信号，该霍尔电势的幅值随磁场强度变化而变化。

转速的测量方法有很多种，根据脉冲计数实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法）。该系统采用M法（测频法），霍尔传感器的测速电路，如图4所示。

图4 霍尔传感器的测速电路Fig.4 Speed measurement circuit of Hall sensor

2.3 其他电路模块

2.3.1 电源模块

电源模块供电时先经过二极管VD1，可防止提供极性相反的电源烧坏硬件，并采用SPX1117M3-3.3型三端稳压器为微控制器、RS232、霍尔传感器提供电源，同时也为CAT811R供电。CAT811R微控制器监控电路 （3.3 V电压时，误差±5%）用来监控数字系统的电源，它可以产生一个复位信号，该信号在电源电压低于预置的阈值时和电源电压上升到该阈值后的140 ms内有效，K1为手动复位按键。

2.3.2 RS232接电电路

RS232接口实现与上位机通信，如：向上位机（主机）发送测量到的数据，接收上位机发来的控制指令，进行参数设置及校准操作。与上位机的通信指令采用不定长的ASC代码指令，用不同的信令头（SOT）代表不同的控制，并有CRC纠错以保证数据正确传输，信令有统一的结束码（EOT）。

2.3.3 LCD显示电路

采用TCM24064B[5]完成图形显示、文本显示以及图形与文本混合显示，内置128种 5×8点阵的ASCI字符字模库CGROM，字符代码为00H～07H。对液晶显示器的软件设计实际是对控制器T6963C的指令操作，T6963C最大的特点是具有独特的硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比、驱动传输的字节数/行及字符的字体都有引脚电平设置数，初始化在上电时已基本完成。

3 系统软件设计

图5（a）为步进电机的调速系统软件设计流程图，主要实现接收主控制器的频率，图5（a）为测速系统软件设计流程图，用于实现采集实际速度m，并对比输入速度n，得到是否有偏差（m-n），把偏差值通过A/D转换电路反馈给主控制器，最后通过PC机调整输出频率，从而实现对转速的调整。

图5 电机调速和测速控制流程图Fig.5 Flow chart of motor speed control and speed detect

4 结束语

该系统设计采用LPC2148为核心控制器，利用步进电机调速电路和基于霍尔传感器的测速电路，大大提高了转速的稳定性和精确性，而实验结果也验证了转速误差可控制在±0.2 m/s之内。在调试过程中需要注意的问题是，如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度上升到所希望的高频；以及解决驱动器通电以后电机抖动不能转动的问题，遇到这种情况时，首先检查电机与驱动器L298的连接是否正确；如果没有接错，再检查输入频率是否太高；是否升降频设计不合理；如果以上原因都不是，可能是驱动器被烧毁。基于LPC2148的整个系统有电压利用率高，功耗低的特点，并且简化了外围接口电路的设计[6]。将采集到的信号进行处理，通过反馈电路把误差值传回主控芯片，进一步修正输出频率，从而提高了转速精度。

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

[2]刘锦波.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]刘恩山，卢光华.霍尔传感器的应用[J].仪表技术与传感器，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，张华.深入浅出ARM7[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.

[5]精电蓬远显示技术公司内藏T6963C控制驱动器图形液晶显示模块使用手册[Z].精电蓬远显示技术有限公司，2001.

[6]周立功，王祖麟，陈明计，等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.