基于LPC2148的電機測速系統(tǒng)

　　步進電機的調速和測速系統(tǒng)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(tǒng)以LPC2148作為控制核心，合理選擇電動機的頻率控制和閉環(huán)反饋控制，實時檢測和調整電機的轉速，使系統(tǒng)既具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，又具有良好的動態(tài)性能。

　　1 系統(tǒng)的工作原理

　　該系統(tǒng)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)、A/D轉換電路等其他電路組成，如圖l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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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

　　2.2 霍爾傳感器的測速模塊

　　2.2.1 霍爾效應

　　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?；魻栭_關傳感器由于其體積小，無觸點，動態(tài)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(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)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(xiàn)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(tǒng)采用M法(測頻法)，霍爾傳感器的測速電路，如圖4所示。

　　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SPXlll7M3-3.3型三端穩(wěn)壓器為微控制器、RS232、霍爾傳感器提供電源，同時也為CAT8llR供電。CAT811R微控制器監(jiān)控電路(3.3 V電壓時，誤差±5%)用來監(jiān)控數字系統(tǒng)的電源，它可以產生一個復位信號，該信號在電源電壓低干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(xiàn)與上位機通信，如：向上位機(主機)發(fā)送測量到的數據，接收上位機發(fā)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(tǒng)一的結束碼(EOT)。

　　2.3.3 LCD顯示電路

　　采用TCM24064B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～07 H。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(jié)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(tǒng)軟件設計

　　圖5(a)為步進電機的調速系統(tǒng)軟件設計流程圖，主要實現(xiàn)接收主控制器的頻率，圖5(a)為測速系統(tǒng)軟件設計流程圖，用于實現(xiàn)采集實際速度m，并對比輸人速度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(xiàn)對轉速的調整。

　　4 結束語

　　該系統(tǒng)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(wěn)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?；贚PC2148的整個系統(tǒng)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。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。