【文章內(nèi)容簡介】 倒立擺系統(tǒng)中通訊控制ARM最小系統(tǒng)模塊LPC2131最小系統(tǒng)包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG接口電路等。在本系統(tǒng)中，為了方便系統(tǒng)的初始化設(shè)置、調(diào)試，EasyARM2131開發(fā)板主要分為以下幾部分：電源電路此系統(tǒng)芯片是選用菲利普公司的LPC2131。其電源電路如圖 所示。；輸出電壓精度高；穩(wěn)定性高，并具有電流限制和熱保護。交流電壓通過USB接口經(jīng)過電感L3，L3起到限制瞬態(tài)電流作用。然后經(jīng)過C。其中電容C21是為了提高輸出的穩(wěn)定性，電感LL2為模數(shù)隔離電感。圖31 EasyARM2131電源電路復(fù)位電路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)、時鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面提出了更高要求。因此本次ARM板的復(fù)位電路采用帶I2C存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI30，提高系統(tǒng)的可靠性。其電路原理圖如圖 所示。CAT1025JI30具有精確監(jiān)控電源電壓；高、低電平復(fù)位；手動復(fù)位輸入；400KHz的I2C串行2K位EEPROM等。圖 32 系統(tǒng)復(fù)位電路系統(tǒng)時鐘，電路如圖 所示。，而且同時能夠支持LPC2131芯片內(nèi)部PLL及ISP下載功能。圖 33 系統(tǒng)時鐘AD接口電路本設(shè)計只需要一路A/D采樣即可，而LPC2131擁有1個10位8路A/D轉(zhuǎn)換器，完全滿足設(shè)計要求。啟動A/D轉(zhuǎn)換的方式非常靈活，既可以單路軟件啟動，也可以設(shè)置為BRUST模式對某幾路信號逐個循環(huán)采樣。LPC2131增加了獨立的基準電壓源引腳，對轉(zhuǎn)換精度很有利，，進行AD轉(zhuǎn)換。AD接口電路如圖 所示。當選擇Vref時，參考電壓有R20和R27分壓得到，選擇Vref時，由用戶輸入作為參考電壓。圖 34 AD測量電路串口通信模塊本次設(shè)計要與PC機進行通信，因此要用到串口通信模塊。UART0串口通信模塊的電路圖如圖 所示。，所以要使用SP3232E進行RS232電平轉(zhuǎn)換。SP3232E是3V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片。當跳線JP6分別選擇TxD0和RxD0端時，方可進行UART0通信。圖 35 UART0串口通信電路使用UART與PC機通訊的連接示意參考如圖 。由于PC機串口是RS232電平，所以連接時需要使用RS232轉(zhuǎn)換器進行電平的轉(zhuǎn)換。圖 36串口0于PC機通信 直流電機及其驅(qū)動電路模塊 直流電機的結(jié)構(gòu)及原理直流電機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早能實現(xiàn)調(diào)速的電動機。長期以來，直流電機一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性；盡管今年來不斷受到其他電動機的挑戰(zhàn)，但到目前為止，它仍然是大多數(shù)調(diào)速控制系統(tǒng)的最優(yōu)先選擇。ARM2131微控制器通過I/O口發(fā)出PWM和L298芯片，功率放大來驅(qū)動控制直流電機并調(diào)速。直流電機（）是實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本的構(gòu)造的相同的，即必須有定子、轉(zhuǎn)子和換向器，其間有一定的氣隙，如圖37所示。其構(gòu)造的主要特點是具有一個帶換向器的電樞。直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成，里面的部分是固定在機身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場的線圈制成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成，是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的部分。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。圖37 直流電機示意圖當原動機驅(qū)動電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組上感生出電動勢，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負載（或電網(wǎng)），對外供電，此時電機作直流發(fā)電機運行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子與連接于其上的機械負載工作，此時電機作直流電動機運行。當電機作直流電動機運行時，電機上的繞組分別與電子開關(guān)線路的相應(yīng)開關(guān)元件相連接。電樞繞組的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定規(guī)律換相，功率開關(guān)元件的截止與導(dǎo)通是與轉(zhuǎn)角同步變化的。通過改變加在繞組上的直流電壓就可實現(xiàn)調(diào)速。而電壓的改變有兩種方法：一是每相的導(dǎo)通時間不變，改變加在線圈上的電壓幅值；二是電壓幅度不變，改變電壓波形的占空比。改變定子繞組磁勢和轉(zhuǎn)子磁場相對關(guān)系就能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制（pulse width modulation，簡稱PWM）控制方式已成為絕對主流。這種控制方式很容易在嵌入式系統(tǒng)控制中很容易實現(xiàn)，從而為直流電機控制數(shù)字化提供了契機。直流電機有普通直流電機和直流伺服電機之分，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在性能方面。伺服電機在調(diào)速范圍、機械特性和調(diào)速特性的線性度、響應(yīng)快速性等方面均占優(yōu)勢，且當控制電壓改變?yōu)榱銜r能立即停止轉(zhuǎn)動，普通電機做不到；從結(jié)構(gòu)上比較，兩者的區(qū)別在于電樞鐵心的長度與直徑之比，伺服電機較大，而氣隙較小。因此在精密定位和寬調(diào)速范圍的應(yīng)用場合，一般都選用伺服電機，當然它的價格也較高。倒立擺往往既有直流伺服電機，也有普通電機，應(yīng)視需要而定。普通直流電機也具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，結(jié)合考慮體積和價格因素，因此選用普通電機即可。 電機驅(qū)動電路的設(shè)計 在直流電機電樞上加上一定幅度的直流電壓，電機便開始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向，電機轉(zhuǎn)向也隨之改變。直流電機的轉(zhuǎn)速大小是與加在直流電機上的電源電壓成正比的。電機的轉(zhuǎn)動方向與直流電機產(chǎn)生磁場的線圈的電流方向有關(guān)。有固定電壓情況下，用脈沖寬度的占空比調(diào)整控制電機的轉(zhuǎn)速要解決下面幾個問題：(1) 圖38中的K1～K4開關(guān)，應(yīng)該是大功率電子開關(guān)。該電子開關(guān)高頻特性要好，飽和壓降要低，最大允許電流大于L的啟動電流幾倍； 圖38 電機驅(qū)動示意圖(2) 為使電源對L迅速充電，使L達到感抗最大值，電路中的線組應(yīng)盡可能小，這樣可以提高電機工作頻率，從而提高工作頻率；(3) 有防止過流的保護電路；(4) 有防止反相峰值電壓的電壓保護電路；(5) 有防止啟動電流過大的設(shè)計；(6) 控制電壓符合標準TTL電平；(7) 有防止電機死區(qū)的控制。倒立擺在運動中必須不斷地改變速度、方向和精確地定位，往往需要采用直流伺服電機，并相應(yīng)地要求電機的功率放大器具有良好的電壓調(diào)整特性。與傳統(tǒng)的線性放大器相比，現(xiàn)在多采用晶體管和MOS管放大器。PWM（脈沖寬度調(diào)制）功率放大器的優(yōu)點是功耗低、效率高、體積小、價格低、工作可靠、易于克服伺服電機的靜摩擦等，故它具有廣泛的應(yīng)用。最常用的PWM功率放大器是橋式PWM功放電路，又稱H型功放電路。我們選用L298作為電機驅(qū)動芯片正是基于以上的考慮。L298是一個高電壓，高電流雙路全橋驅(qū)動器設(shè)計，以標準的TTL邏輯電平驅(qū)動電感負載，如繼電器，螺旋管，直流步進電機。L298是驅(qū)動二相和四相步進電機的專用芯片，它內(nèi)部集成有兩個橋式電路。我們利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機，這種方法有一系列的優(yōu)點。每一組PWM波用來控制一個電機的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路也很簡單，一個芯片內(nèi)包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性。其狀態(tài)表見表 31所示（C表示ININ3；D表示ININ4）。表 31 L298狀態(tài)表輸入功能C=H；D=L前進C=L；D=H后退C= D快速制動C=；D=自動停止L298采用了所謂全橋脈沖調(diào)寬技術(shù)（也稱為“H電橋”脈沖調(diào)寬技術(shù)）進行電機驅(qū)動。這種技術(shù)的基本原理如圖39所示。圖39 “H電橋”PWM技術(shù)原理當方向信號Dir=1時，三極管b、c關(guān)斷，而a、d在PWM信號作用下不斷地開關(guān)，從而可以通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)通過電機的電流，也就控制量電機的輸出力矩，同時電流方向總是保持不變。當Dir=0時，a、d關(guān)斷，b、c在PWM信號作用下不斷的開關(guān)，電流的大小仍然由PWM信號的占空比調(diào)節(jié)，而方向剛好相反。這樣，就可以利用電橋控制直流電機的正反轉(zhuǎn)和輸出力矩大小。4個續(xù)流二極管用于關(guān)斷時間內(nèi)給電機形成續(xù)流，保持電流連續(xù)性。需要注意的是，在三極管關(guān)斷期間，由于電機存在反電動勢，電流將向20V穩(wěn)壓電源倒灌，因此要注意元件耐壓選取和器件保護。利用這種技術(shù)的最大優(yōu)點就是效率比較高，不像串聯(lián)調(diào)節(jié)方式那樣需要芯片承受很大功耗。類似的技術(shù)在目前高檔電源設(shè)備中經(jīng)常使用，這類所謂的開關(guān)電源其效率比普通電源高許多。驅(qū)動效率提高的好處就是大大降低了芯片自身的功耗，因此，盡管芯片能夠提供很高的輸出功率，自身發(fā)熱卻比較小，可以通過地線和與地線相連的電路板上的兩片銅箔散熱。L298驅(qū)動直流電機電路如Error! Reference source not 。圖310 L298驅(qū)動直流電機的電路電樞兩端的電流是一個脈動的連續(xù)電流，加快PWM的切換頻率，電流的脈動就變小，結(jié)果近似于直流信號的效果，使電機均勻旋轉(zhuǎn)。同時，如果改變PWM脈沖的寬度，電樞中的平均電流也將變化，電機轉(zhuǎn)速便隨之改變。這就是PWM調(diào)速的原理，其具體的工作原理是：采用雙極性的控制方法，通過三極管Q1使得ININ2的輸入反相，從而達到控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的目的；ENB接高電平，用PWM控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速；假設(shè)當PWM的占空比小于50%時，電機正轉(zhuǎn)，則大于50%時電機反轉(zhuǎn)，等于50%時電機急停；通過改變PWM的占空比改變電機轉(zhuǎn)速。此種電路設(shè)計方案只需通過一路PWM即可達到控制電機轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的功能，節(jié)省了控制器的輸出引腳及控制難度，缺點是功耗大，L298芯片容易發(fā)熱，因此應(yīng)加散熱片。同時，我們知道，PWM脈沖頻率決定了電樞電流的連續(xù)性，從而也決定了電機運行的平穩(wěn)性。如果脈沖切換頻率選擇不當，電機的低速性能有可能不理想，容易燒毀晶體管，而且由于電流不連續(xù)，電機可能產(chǎn)生劇烈震蕩，甚至出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象，這些都是不允許的。因此，在設(shè)計PWM功率放大器時，要慎重選擇切換頻率。實際設(shè)計綜合考慮各種因素，在1000HZ至數(shù)萬HZ的范圍內(nèi)選取PWM切換頻率。不過，功放管的開關(guān)頻率總有一個限度，對大功率功放管來說，開關(guān)頻率越高，制造工藝難度越大，成本也越高。因此，要根據(jù)實際需要確定有關(guān)參數(shù)，使構(gòu)建的功率放大器有較高的性能價格比。 傳感器選擇模塊旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器，它分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，其中光電式脈沖編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)中最常用的位置傳感器。光電編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏接收元件等組成。碼盤一般由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。光源將光投射在碼盤上時，當旋轉(zhuǎn)軸帶動碼盤轉(zhuǎn)動時，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件所接收，把碼盤上按照一定碼制刻劃的角度信息轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)需要把電信號經(jīng)電路處理或給計算機處理，得到所需要的角度量。旋轉(zhuǎn)編碼器有增量編碼器和絕對編碼器兩種，圖311為光電式增量編碼器示意圖，它由發(fā)光元件、光電碼盤、光敏元件和信號處理電路組成。圖311 光電編碼器原理示意圖當碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，光源透過光電碼盤上的光欄板形成忽明忽暗的光信號，增量式編碼器能在每一轉(zhuǎn)發(fā)出若干個脈沖信號。這些信號可被用來測量位移值(角位移、線位)。在增量編碼其中，一個碼盤被等分成若干個透明和不透明相間的區(qū)段，并被固定在編碼器的軸上。在碼盤的一側(cè)一個LED發(fā)出一束平行光，照射到碼盤的透明和不透明的區(qū)段，在透明區(qū)段光會穿透碼盤，而在不透明區(qū)段則不會。在碼盤的另一側(cè)有一個光敏元件，接受從透明縫中透過的光，把光信號轉(zhuǎn)化成電信號并將其調(diào)制成兩列相位差90○的脈沖，經(jīng)過放大電路后輸出，然后通過信號處理電路的整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。增量式編碼器通常有三個輸出信號A，B，Z，其中A和B的相位差為90○，Z信號為零信號，該信號每一轉(zhuǎn)出現(xiàn)一次，可用作基準信號。為了測量出轉(zhuǎn)向，使光欄板的兩個狹縫比碼盤兩個狹縫距離小節(jié)距，這樣兩個光敏元件的輸出信號就相差相位，將輸出信號送入鑒向電路，即可判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。光電式增量編碼器的測量精度取決于它能分辨的最小角度（分辨角、分辨率），而這與碼盤周內(nèi)所分狹縫的線數(shù)有關(guān)。 （1）其中 n——編碼器線數(shù)。由于光電式脈沖編碼盤每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，因此，根據(jù)脈沖數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，由傳動比換算出直線位移距離；根據(jù)脈沖頻率可得工作軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號的相位先后，可判斷光電碼盤的正、反轉(zhuǎn)。由于光電編碼器輸出的檢測信號是數(shù)字信號，因此可以直接進入計算機進行處理，不需放大和轉(zhuǎn)換等過程，使用非常方便，因此應(yīng)用越來越廣泛。對于線數(shù)為n的編碼器，設(shè)信號采集卡倍頻數(shù)為m，則有角度換算關(guān)系為： （2）式中——為編碼器軸轉(zhuǎn)角；——編碼器的讀數(shù) 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型選型過程中，主要應(yīng)注意以下幾條：1. 環(huán)境溫度一般工作環(huán)境溫度在之間，否則必須考慮安裝冷卻裝置。2. 防護條件即所需的旋轉(zhuǎn)編碼器的防護等級，主要有：防塵型、防滴型、防油型等。3. 現(xiàn)場震動與沖擊現(xiàn)場條件惡劣的，必須使用金屬光柵的旋轉(zhuǎn)編碼器，這意味著每圈脈沖數(shù)一般不大于1000個。4. 機械性能在小型的精密儀器上使用還需要考慮旋轉(zhuǎn)編碼器的啟動轉(zhuǎn)矩和慣性力矩等。5. 電氣匹配常見的旋轉(zhuǎn)編碼器電源和信號電壓主要有2種：直流和直流選型不對，旋轉(zhuǎn)編碼器和檢測信號單元則無法配合工作。旋轉(zhuǎn)編碼器電壓