基于LPC1766的多細分步進電機控制設計

黃 輝， 操 星， 趙志中， 王建明

(1.南京工業大學信息科學與工程學院，江蘇南京 210009;2.南自信息技術有限公司，江蘇南京 210009)

0 引言

現代社會，視頻監控技術得到越來越廣泛的應用，人們對各種監控設備的要求也越來越高。高速智能球型攝像機以其可操控性和智能化等特點而發展較為迅速，它主要由云臺、圖像采集單元、控制單元和電源等幾個部分組成。通過對云臺的控制，可以實現定點、定線或者任意線路的圖像采集，從而實現對周圍環境進行全方位監控。云臺主要由控制水平和垂直位置的兩個步進電機構成，高速智能球型攝像機的各種控制都是通過控制這兩個電機完成，其各項性能指標:速度、精確度和智能化程度也主要取決于此。針對這點，本文主要介紹了一種基于LPC1766的混合式步進電機控制方案，通過軟件實現了多細分控制設計，可以設置電機運轉速度，最高速度可達400°/s，無論處在高速還是低速，運行都非常平穩，精度可以控制在0.1°誤差之內。

1 硬件設計

1.1 硬件設計原理介紹

硬件設計原理框圖如圖1所示，主要通過LPC1766微控制器控制A3988，從而驅動兩個步進電機，A3988的4個基準電壓輸入通過8位的TLC7255數模轉換器供給，TLC7255由 LPC1766控制分別進行四路數模轉換，74LS245作為緩存器，UREF為TLC7255輸入的基準電壓，通過電路設置為1.2 V。

圖1 硬件設計原理框圖

1.2 LPC1766控制A3988硬件設計

LPC1766是基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，采用哈弗結構，具有分離的數據和程序空間及分離的訪問總線，利用3級流水線操作技術，主頻可以達到100 MHz。它主要是針對那些要求高集成度、低功耗的應用系統而誕生的32位微控制器，具有256 kB的Flash和64 kB的 RAM，集成Ethernet MAC、4 UARTS、SPI等外部接口，其 I/O輸入輸出口可以多達70個。設計中主要使用P1口、P3和 P4口進行電機的控制，P1［24］～P1［31］接A3988的邏輯控制信號輸入腳，考慮A3988邏輯信號輸入要求，使用一個1 K×8的排阻限流;A3988的I01與I02、I03與I04、I11與I12和I13與I14分別使用同一個控制線控制，令P［24］和 P［25］輸出高電平，P［26］和 P［27］輸出低電平，可以控制流過電機的各相電流均為最大電流的2/3;PHASE1～PHASE4用于控制流過電機各相電流的方向，當PHASE1為0時，電流從OUT1A流向OUT1B，當 PHASE1為1時，電流從OUT1B流向OUT1A，其他三相控制原理相同。

根據云臺載重大小、傳動比等技術要求，電機選用上海鳴志的14HA9415-06N混合式步進電機，其步距角為0.9°，額定電流為0.5 A。A3988是一個4DMOS全橋脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)電機驅動器，每個全橋輸出電流最大可達到1.2 A，可以同時驅動兩個步進電機。流過電機每一相的實際工作電流可以通過VREFx、I0x、I1x和接SENSEx引腳的電阻 Rx進行控制，前面介紹通過I0x和I1x將實際工作電流設置為最大電流的2/3，Rx選用1 Ω/1 W電阻，所以實際工作電流ITrip可以通過如下公式進行計算得到。UREFx為 TLC7255的輸出，其最大值應為TLC7255的基準電壓1.2 V，所以ITrip最大約為267 mA。

1.3 多細分控制原理和設計

14HA9415-06N為兩相步進電機，假設為A相和B相，通過兩相的電流在相位上相差90°，電機電磁力的大小與兩相中的合電流大小有關，控制流過兩相的電流大小和方向就可以控制電機轉動，假設按 AB-A’B-A’B’-AB’四拍為控制電機正轉，將時序倒過來就可以實現電機反轉，可以將此模式稱為整部模式。將每兩者之間多加入一拍就可以實現半步驅動模式:A-AB-B-A’B-A’-A’B’-B’-AB’，也可以稱為2細分控制，相同的，將兩者之間插入更多拍時，就可以實現多細分控制。

為實現多細分控制電機，必須能夠控制電機兩相中的電流，由于流過電機一相的電流ITrip和UREFx成正比關系，所以ITrip可以通過UREFx進行控制。UREFx由TLC7255輸出，可以通過LPC1766的P1［16］～P1［23］引腳控制，其值將在 0～1.2 V之間變化。P1［16］～P1［23］輸出的值轉換成十進制為0～255，將其按正弦曲線32等分抽樣得到32個值，令 LPC1766分別控制 P1［16］～P1［23］輸出的值對應為這32個值，從而對應得到0～1.2 V之間的32個電壓值和按正弦規律變化的32個電流值，變化范圍為0～267 mA。對應電機A相和B相的控制輸出信號P1［16］～P1［23］分別取值如圖2所示，其值大于零時表示對應的PHASE信號為0，小于零時對應的PHASE信號為1，從而使兩相電流在相位上相差90°。

圖2 LPC1766控制輸出取值圖

2 軟件設計

軟件設計主要分為兩個部分，一是電機驅動軟件的相關設計，主要實現電機的轉動、轉動方向和速度的調節等;另一個是控制軟件設計，主要應用C++builder平臺開發，可以通過計算機使用此軟件控制電機。

2.1 電機驅動軟件設計

LPC1766具有一個向量中斷控制器，可以接收所有的中斷輸入，該設計將UART0串口中斷配置為快速中斷請求，其享有最高優先級，當電機控制軟件通過計算機發送控制電機命令時，LPC1766就會中斷接收命令，然后加以處理，詳細的軟件流程圖如圖3所示。LPC1766首先判斷用戶期望的電機轉動方向和轉速，然后驅動電機，如果需要電機正轉，LPC1766就會根據圖2中正轉方向取值控制 P1［16］～P1［23］，反向取值即可控制電機向相反方向轉動。通過控制相鄰兩個取值的轉換時間間隔，就可以控制電機的轉動速度，時間間隔越小，轉動速度越高，時間長則轉速低。該設計通過定時器0定時控制，實現了速度16級可調。

圖3 電機控制軟件流程圖

2.2 控制軟件設計

控制軟件主要是通過計算機RS－232串口發送控制命令來實現電機的控制，所以此部分設計可分為兩個部分，一是串口方面的設計，主要是進行波特率、端口號的配置;另一個是電機控制部分的設計，提供了8個按鈕，分別對應上、下、左、右、左上、左下、右上和右下，用于控制電機轉動，當點擊一個按鈕時，就會通過串口發送對應的控制命令。可見此部分的設計主要在于串口應用方面，該設計使用了C++Builder提供的MSCOMM控件進行開發，串口號(COM1～COM8)可以由用戶選擇，控件的 Settings屬性設置為“9 600，n，8，1”，即設置波特率為9 600 bps，無校驗，8個數據位和1個停止位。控制軟件不需要LPC1766回傳數據，所以僅需利用串口發送數據。

3 結 語

從硬件和軟件兩個方面分別介紹了基于LPC1766的多細分步進電機控制設計，可以直接應用于高速智能球機的云臺控制，具有成本低、可靠性高、運轉平穩等特點。使用A3988芯片直接驅動兩個步進電機，節省了PCB空間，而且經過實踐驗證，其電流控制精確、發熱量較低。另外需要提出:采用多細分方式控制電機，細分數越多，電機運轉越平穩，在一定程度上也能提高精度，但由于處理器頻率一定，所以電機的最高轉速會受到一定限制。

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