基于ARM的步進電機控制器設計

1、第7卷第2期2010年6月邵陽學院學報（自然科學版）Journal of Shaoyang University(Natural Science Edition Vol. 7No. 2Jun. 2010文章編號：1672-7010（2010）02-0022-04基于ARM 的步進電機控制器設計袁旭龍，唐杰，陳軍華，李通，李建霖，鄒亮（邵陽學院電氣工程系，湖南邵陽422000）摘要：目前大部分電機控制器采用的是8位或16位的微控制器，由于受到微處理器的處理體系架構、尋址范圍、外圍接口資源等諸多限制，已難以得到良好的效果針對以上情況，論文研速度、究開發(fā)了一種全新的、由32位高性能ARM 微處理器組

2、成的步進電機控制系統(tǒng)給出了控制系統(tǒng)的硬軟件流程和程序源代碼和實驗結果實驗結果表明，論文所設計的電機控制器符合步進電機件電路、控制要求關鍵詞：ARM 微控制器；L298N ；電機控制；步進電機中圖分類號：TP 27文獻標識碼：ADesign of Controller for Step Motor Based on ARM TechnologyYUAN Xu-long ，TANG Jie, CHEN Jun-hua, LI Tong, LI Jian-lin, ZOU Liang（Departmental of electrical engineering, Shaoyang Universit

3、y, Shaoyang Hunan province, 422000）Abstract:At present, the majority of motor controller uses the 8or the 16bits micro-controllers, because of limitations suchas the processing speed, the system construction, the addressing scope, the periphery connection resources ,it is hard to obtain good dynamic

4、 visual effect. In view of above situation, this thesis redesigns and develops one kind of new display system. It's composed by 32high performance ARM microprocessors. The control platform is analyzed and designed. The thesis gives the hardware structure and software implementation of motor cont

5、roller, procedures of the source code and experimental results. The experimental results show that the new design is in line with the step motor control.Keywords:ARM micro-processor; L298N ；motor controller ；step motor0前言目前國內(nèi)工業(yè)控制場合中用的工控設備大多采用的是8位單片機（如MCS-51），具有價格低廉、設計容易、能達到一般要求的優(yōu)點，但也存在著存儲容量小，獨立工作時功能

6、較弱，人機交互復雜，操作不方便等問題若采用功能強大的32位嵌入式微處理器ARM 來代替8位單片機，再把控制板與電源、步進電機和被控制設備集成于一體，則將形成嵌入式一體化的工業(yè)控制機1-4. 步進電機是工業(yè)控制中的一種常用執(zhí)行部件，具有控制靈活、價格低等優(yōu)點，因而在很多設備和裝置中被采用ARM 控制步進電機是將微處理器置于步進電機控制器中，使步進電機能按設定的拍數(shù)、單個觸發(fā)脈沖所走的步數(shù)來控制相應的控制邏輯在論文中，我們采用最新的內(nèi)核Cortex-M3，收稿日期：2010-04-20（項目編號：）基金項目:湖南省教育廳科研項目資助（），男，湖南隆回人，碩士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化研究作者

7、簡介：袁旭龍第2期袁旭龍，唐杰，陳軍華，李通，李建霖，鄒亮：基于ARM 的步進電機控制器設計23該內(nèi)核是英國ARM 公司力推內(nèi)核，致力于替代8位/16位單片機使用THUMB-2指令集，32位性能，16位密度，與ARM7TDMI 相比，Cor-tex-M3內(nèi)核要快35%，代碼減少45%STM 32系列產(chǎn)品得益于Cortex-M3在架構上進行的多項改進，包括提升性能的同時又提高了代碼密度的Thumb-2指令集，大幅度提高的中斷響應，而且所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平5-8. 論文利用STM 32F103RB 設計出了步進電機控制器，給出了詳細的設計過程，并完成了控制器的開環(huán)實驗實驗結果表明

8、論文所設計的步進電精度高的優(yōu)點，滿足步機控制器具有性能優(yōu)良、進電機控制要求，可以同類型的設計提供參考圖2電源電路2.2驅動電路的設計本驅動電路由L298芯片來驅動和控制電機, L298其實就是一個全橋驅動電路它接收的是PWM 方波，輸出為跟PWM 方波占空比相同的外接電壓方波其電路原理如圖3所示1總體方案設計系統(tǒng)在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經(jīng)濟、合理、適用，減小設備成本在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術、新產(chǎn)品控制方式由人工控制到自動控制，由模擬控制到微機控制，使功能的實現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善根據(jù)上述設計思想，控制器的總體方案圖如圖1所示圖3驅動電路2.3顯示及

9、按鍵模塊的設計（1）顯示單元的設計智林Z32R 開發(fā)板配置了一塊彩色液晶屏，驅動芯片是SPFD54124B STM32F103RB 與液晶顯示芯片的電路連接如圖4所示，處理器的圖1總體方案圖PC12腳接液晶顯示芯片的LCD_CS，PC11口接液晶顯示芯片的LCD_RST，PC10接液晶顯示芯片的LCD_RS，PC9接液晶顯示芯片的LCD_RW,PC8接液晶顯示芯片的LCD_RDPC0到PC7分別接液晶顯示芯片的LD0到LD7,DB （0-7）分別與微處理器的PC （0-7）口相連, 控制液晶顯示屏的輸出LCD 與處理器的接口設計可以分為8位及4位控制方式，由于本設計電路采用的STM 32F10

10、3RB 芯片，不存在I/O口資源使用緊張不夠使用的情況，為方便程序的編寫，采用最為2硬件電路設計2.1電源模塊的設計驅動電源和步進電機是一個有機的整體，步進電機的運行性能是步進電動機及其電源兩者配合的綜合表現(xiàn)該電源的電流一般要達到幾個或幾十個安培，以滿足步進電機的需要我們選用12V/3.5A 開關電源作為步進電機的驅動電源同時，輸出端通過穩(wěn)壓芯片7805使輸出電壓為穩(wěn)定的5V 電壓，如圖2所示24邵陽學院學報（自然科學版）第7卷圖4顯示單元硬件連接電路常見的8位接口設計, 其DB （0-7）分別與微處理（0-7）口相連器的PC（2）按鍵單元的設計在這個單元中，我們采用智林Z32R 開發(fā)板自帶的

11、一個游戲桿和2個按鈕開關作為開關量輸入用，其電路原理圖如圖5所示圖6主程序流程圖否滿足系統(tǒng)要求通過對實驗結果的分析，不斷調(diào)整控制電路和控制程序，以適應控制系統(tǒng)的要求首先搭建一個實驗平臺，如圖7所示圖8給出了不同情況運行時驅動信號的波形圖.圖7控制器實物圖圖5按鍵單元電路3軟件設計了使控制系統(tǒng)各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現(xiàn)實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持控制器的主程序流程圖如圖6所示鑒于篇幅所限，在此不提供程序源代碼圖8不同情況運行時的波形圖在自動控制模式下，設置控制器的速度為10s/m時，檢測L298的輸出波形如圖（a ）所示隨后，分別設置控制器的速度

12、為20s/m、50s/m時，其輸出波形如圖(b、(c所示在手動模式下，速其波形如圖（d ）所示度設置為100s/m，4實驗結果為了驗證所設計的基于ARM 的電機控制器的正確性與有效性以及控制回路和控制程序是第2期袁旭龍，唐杰，陳軍華，李通，李建霖，鄒亮：基于ARM 的步進電機控制器設計25以測試電機所到達位置為例，測試結果見表1.表1位置測試結果設定不同的角度，檢測所到達位置是否精確，測試結果見表2表2速度測試結果從圖8、表1和表2可以看出，論文所設計的步進電機控制器具有性能優(yōu)良、精度高的優(yōu)點，滿足步進電機控制要求5結論本文借助計算機技術、數(shù)控技術、電子技術、ARM 控制技術設計開發(fā)了一個步進

13、電機開環(huán)控制系統(tǒng)，包括步進電機驅動器、步進電機控制器以及系統(tǒng)控制軟件的設計經(jīng)過一年的設計、調(diào)試，可以得出如下結論:（1）設計中使用Cortex-M 3實現(xiàn)步進電機細分控制，使系統(tǒng)的集成性大大提高，增加設計的靈活性，縮短設計周期，簡化系統(tǒng)設計，而且可以降低成本（2）驅動器采用了L298作為功率驅動開關管，因而電路有以下優(yōu)點:耐壓高導通電流大、導通速度快、損耗低、電路簡單、也更加可靠（3）驅動方式改善了步進電機的負載特性，充分發(fā)揮出步進電機的性能潛力，不僅能夠有效地利用能量，而且具有良好的適應性和自保護能力參考文獻：1張大波. 嵌入式系統(tǒng)設計原理與應用M 北京：機械工業(yè)出版社，2005. 2慕春隸. 嵌入式系統(tǒng)的構建M 北京：清華大學出版社，2004. 3田澤. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用M 北京：航空航天大學出版社，