基于LPC2132的电动执行器双核控制系统的设计

张寿春

（上海海事大学 信息工程学院，上海 201306）

在工业过程控制系统中，电动执行器能够将将接收的控制信号（4～20 mA电流信号或 1－5 V的电压信号或1－10 V）转换成输出轴的角位移、直线位移从而控制阀门的位置[1]。传统的电动执行器控制器是通过可控硅来驱动交流电机来，而由于交流电机本身的特点，制动时的惯性较大而导致控制精度较差，同时要带动大力矩，电机本身的体积大，很难进行速度调节。随着电子电路以及大规模集成电路的开发与应用，出现了各种高性能的电子器件和微处理器，同时近年来电机控制理论和稀土永磁材料的迅速发展使得无刷直流电机以其体积小，可靠性高，输出转矩大等优点，使得直流无刷电机在许多领域内获得应用[2]。

文中采用ARM核的LPC2132[3]和选用无刷直流电机来驱动执行机构，同时采用C8051F410[4]来高精度地采集信号。系统采用硬件滤波和数字滤波相结合的技术使输入信号和反馈信号的采集精度得到很大的提高，同时通过芯片LPC2132来控制无刷直流电机实现速度的调节，同时对执行器的运行位置进行实现了数字化定位。

1 系统工作原理

ARM（Advanced RISC Machine）是设计这种处理器内核的公司的名字。ARM内核不是芯片。它与其他部件，如RAM、ROM、片内外设，组合在一起才构成现实的芯片。ARM作为一类微处理器的通称，作为一种低功耗、高性能的32位嵌入式微处理器，已经被广泛应用在各个领域中[5-6]。

文中选用的ARM芯片LPC2132是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARMTTDMI-S CPU，带有64 KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。它有极低的功耗、多个32位定时器、2路10位ADC、PWM通道以及多达9个外部中断和47个GPIO使它们广泛应用于汽车、工业控制等领域[7]。

控制系统采用LPC2132芯片及数字化的方法来控制电动执行器运行。通过面板按钮及液晶菜单，使得操作人员既可以在现场完成各种参数的设置。控制器可以预先设定阀门的回差、速度和行程等参数，接受C8051F410发送来的所采集的阀门开度给定信号。

在阀门运动过程中，控制器实时比较设定信号与反馈信号，当输入与输出在一定范围内时电机停止。由LPC2132及时采集霍尔的信号，通过测量霍尔的脉冲宽度来计算电机的速度，将采集的速度与设定的速度值进行比较，实时调节PWM的值，以达到控制速度的目的。系统原理如图1所示。

图1 系统原理框图Fig.1 Block diagram of system principle

2 系统的实现

2.1 硬件电路设计

系统采用双MCU结构，主要电路有二部分组成：一是直流无刷电机霍尔采集电路及驱动电路；二是信号采集电路。利用C8051F410的ADC模块把电位器的位置反馈信号和远程送来的控制信号（如4－20 MA）转化为数字信号；通过串口将数据传输给lpc2132主控制器，同时在双处理器之间采用光电隔离电路增强了系统的抗干扰能力。在本系统中位置检测是位置控制的关键，它不仅能够向控制器提供电机当前的状态，而且能够反映出电机的运转速度。实际应用中为达到更好的精度和避免干扰，只有上电初始化时采集位置信号，从而首先确定位置。将该位置信号转换为电机的当前的计数脉冲数。电路如图2和图3所示。

图2 驱动电路图Fig.2 Circuit diagram of drive

图3 信号采集电路图Fig.3 Circuit diagram of collecting data

在图2中，场效应管IRF3205上管的驱动电源采用电源变换模块LM2575输出5 V时，利用PWM原理产生39 V的高压。用74HC14芯片来采集霍尔信号，三个信号连接LPC2132 的 P0.27，P0.28，P0.29 口，P0.27 引脚设置第二功能捕获，当来一个脉冲时产生中断，在二个中断之间进行计数。通过计算定时值可以获得电机的速度。设计中取C8015F410的P2.5口测量输入信号，用P0.26口测量反馈电位器的电压值。测量电路须尽可能靠近C8051F410的I/O口，可以减少干扰。通过串口获得LPC2132发送来的反馈输出百分比，使用C8051F410的PWM引脚通过光耦控制反馈输出4～20 MA。

2.2 软件设计

系统的主处理器LPC2132的软件设计主要有：串口处理程序，按键和液晶菜单显示程序，电机驱动计数程序，速度计算程序等。在电机运动中根据霍尔传感器的6个状态的不同进行计数值的加减。假设零位和满度之间电机需要走3 000个脉冲，那么上电时通过采集电位器的值换算成相应的脉冲数（如行程的50%，现在位置的数是1 500）。如果给定信号百分比是100，那么电机需向上走1 500个脉冲。以下的代码主要实现速度的计算。选用6槽电机，每转的脉冲数2。通过T0定时器的捕获功能，获得一个脉冲的脉宽，从而计算出电机的实时速度。系统将设定的速度（存在变量set_sd中）与测量的速度（存在变量sdd_da中）进行比较，实现闭环调速。

系统的另一个微处理器C8051F410的软件设计主要有串口处理程序，AD测量程序等。下面的代码主要是测量程序，初始化时选定二个AD通道，轮流切换进行测量，测量结果放在FeedBack和Input变量中。为了减少工频干扰，1 ms测量16次，测量80 ms，将采集的进行数据均值滤波处理得到测量值。通过串口发送给主处理器。

3 实验与分析

实验时执行器电位器选用1K欧姆精度为5‰，直流电机额定转速为3000转/分。 用信号源输入4MA；8MA；12MA；16MA；20 MA，分别对应百分比如表1。液晶实时显示电机的位置。首先设定行程，即电机从关位到满度的运动区间（直行程5 cm）。

表1 输入输出误差比较Tab.1 Input and output error comparison

通过对比实验发现，由于电位器的精度和线性度的影响，控制系统所采集的位置并不是很准，目前一般厂家考虑到成本不采用高品质的电位器。采用霍尔计数的方式，由于电机转一圈发出6个脉冲，可以将电机运动误差控制在不超过1个脉冲。对于100 cm的长行程来说，由于电机运动时间长，计数脉冲多，那么精度更高。为了保证在短行程应用中也能高精度控制，可采用改变机械齿轮的变比，以使行程的脉冲数不少于一定值。

4 结束语

由于现场干扰源多，采用上电采集位置信息转换为电机脉冲数来判断电机的运动位置方法，提高了系统的精度，系统抗干扰能力也使得到提高，避免电机在运动中由于电位器的故障导致误动作。在对给定信号采集中采用模拟滤波与数字滤波相结合的方法，同时通过光电隔离的串口传输使主控微处理器与数据采集模块相隔离，减少了相互影响。通过电子限位以及ARM核异常处理来实现系统本身的自诊断和处理，增加了系统本身的可靠性。文中所设计的电动执行器双核控制系统，已投入使用，到目前为止工作可靠，性能稳定。系统在对甚高频的电磁干扰，以及电位器长时间使用中的误差最优处理等仍然有不足，可以进一步研究以达到最佳效果。

[1]慈兆会，孔令成，方颖，等.基于TMS320F2812的智能电动执行器控制系统设计[J].测控技术，2010，10（29）:55-57.

CI Zhao-hui，KONG Ling-cheng，FANG Ying，et al.Control system of intelligent electric actuator based on TMS320F2812 [J].Measurement& Control Technology，2010，10（29）:55-57.

[2]杨苹，胡郴龙，姜华.基于可变参数PI控制的无刷直流电动机调速系统[J].微计算机信息，2010，3（26）:11-13.

YANG Ping，HU Chen-long，JIANG Hua.Brushless DC motor speed adjustment system based on PI control with variable parameter[J].Microcomputer&Information，2010，3（26）:11-13.

[3]PhilipsSemiconductors.LPC2132 Productdata[EB/OL].[2009-11-07].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/99073/PHILIPS/LPC2132.html.

[4]Silicon laboratories.C8051F410/1/2/3[EB/OL].[2010-10-02].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/C8051F410.html.

[5]周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[6]周立功，张华等.深入浅出ARM7——LPC213x/LPC214x（下册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[7]周立功，张华等.深入浅出ARM7——LPC213x/LPC214x（上册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.