【正文】 EASYARM1138 簡介 EASYARM1138 是專 門針對(duì)廣大電子信息專業(yè)在校大學(xué)生而設(shè)計(jì)的一款基于 ARM CORTEXM3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能、低價(jià)格開發(fā)板，用于教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子競賽，等等，也是廣大單片機(jī)愛好者、開發(fā)工程師首選的 C。靈活的復(fù)位源，包括上電復(fù)位、復(fù)位管腳有效、掉電 (BOR)檢測(cè)器向 系統(tǒng)發(fā)出電源下降的警報(bào)、軟件復(fù)位、看門狗定時(shí)器復(fù)位、內(nèi)部低壓差 (LDO)穩(wěn)壓器輸出變?yōu)椴豢烧{(diào)整。高達(dá) 46 個(gè) GPIO，輸入 /輸出可承受 5V，中斷產(chǎn)生可編程為邊沿觸發(fā)或電 平檢測(cè)，在讀和寫操作中通過地址線進(jìn)行位屏蔽。 (2)其他性能： 64 KB 單周期 Flash。 主要性能： (1) 32位 RISC性能：采用為小封裝應(yīng)用方案而優(yōu)化的 32位 ARM174。 Stellaris(群星 )系列 ARM 芯片在電磁兼容性方面的優(yōu)勢(shì)明顯 [15]。 LM3S1138 簡介 LM3S1138 是一款基于 ARM CortexM3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能、低價(jià)格的 ARM 處理器 ,是 Luminary Micro 公司的 Stellaris(群星 )系列 ARM 處理器的一種。 近幾年 ARM 在控制芯片上發(fā)展迅速，其中由 Luminary 公司生產(chǎn)的 LM3S1138 微控制器就是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的，該芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于 各種關(guān)注成本并明確要求具有控制以及連接能力的應(yīng)用方案。此外，現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)廣泛采用 PWM 控制方法，而在一般的單片機(jī)中都沒有可產(chǎn)生 PWM 脈沖的硬件設(shè)備，而是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，這從另一個(gè)側(cè)面限制了該類系統(tǒng)性能的提高。然而受單片機(jī)自身結(jié)構(gòu)的限制、處理速度都比較慢（指令周期為毫秒或微秒級(jí)），對(duì)于一些可以提高系統(tǒng)性能的復(fù)雜控制算法，很難做到實(shí)時(shí)執(zhí)行。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 控制芯片的選擇 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以微處理器為核心的全數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。 本系統(tǒng)采用 專用的集成驅(qū)動(dòng)芯片 ，減少了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的難度以及軟件編程的難度，降低了程序 的復(fù)雜程度，軟硬件易于實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)的核心采用基于 CORTEXM3 內(nèi)核的LM3S1138 微處理器，它接收 鍵盤 給他的控制信號(hào)，包括 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向 以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止 。 本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)框圖見圖 。由于使用了專用集成芯片，系統(tǒng)軟件容易實(shí)現(xiàn)，而且硬件設(shè)計(jì)簡單，只需要對(duì) STK672080 專用芯片的 MM M3 賦予不同的高低電平就可以簡單的實(shí)現(xiàn)最大 16 細(xì)分的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制。 所以本文采用方案 2 來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。如果 ARM 還有其他任務(wù)要完成，則負(fù)擔(dān)較重。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖方波的頻率決定，而脈沖方波的頻率同樣可以采用延時(shí)或者定時(shí)器來獲得。 SANYO 公司的 STK672080 就是一個(gè)很好的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大為 1/16 的細(xì)分?jǐn)?shù)，而且可以在低頻狀態(tài)下很好的工作并能降低噪聲，并可以通過軟件來控制系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)。定時(shí)器方法，就是使用 ARM 內(nèi)部的可編程定時(shí)器，將發(fā)脈沖子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，定時(shí)器中斷一次， ARM 發(fā)出一個(gè)脈沖從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度控制 。所謂延時(shí)方法，就是在每次發(fā)出脈沖之后，調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行發(fā)脈沖的子程序，這樣周而復(fù)始，即可發(fā)出一定頻率的脈沖信號(hào)。即 D4～ D7 的值見表 .反轉(zhuǎn)時(shí)只需要將控制信號(hào)按照相反的方向給出。四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有四相單四拍、雙四拍和八拍等控制方式，這里采用四相八拍的方式。 ARM 采用 4 路 I/O(D4～D7)進(jìn)行并行控制，直接發(fā)出 4 相脈沖信號(hào)，通過功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。采用 ARM 作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制器，有以下幾種設(shè)計(jì)方案。本 部分 將詳細(xì)介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制的 速度 控制 方案 。 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度較等電流法增加不 多 。 圖 等步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)波形 等步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法相對(duì)于等電流細(xì)分法，顯著改善了步距角的均勻性。 以 8 細(xì)分法控制兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，給定電流的大小表達(dá)式為式 ()。如果細(xì)分步距角目的僅僅是改善電機(jī)運(yùn)行的功能而不是增強(qiáng)步進(jìn) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 的步距角的分辨率，則常常采用這種方法，性能還有待提 高 。 利用這種驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)簡單易行，滿足一般的設(shè)備對(duì)步距角的精度要求，圖 為其驅(qū)動(dòng)電流波形。這樣當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)采用細(xì)分控制后，就可以降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角速度波動(dòng)，從而達(dá)到提高速度控制精度、減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，提高電動(dòng)機(jī)使用壽命的目的。 通過分析，我們可以看到，例如 在 8 細(xì)分控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)整步步進(jìn)時(shí)的每一步此時(shí)需要前進(jìn) 8 個(gè)微步，在細(xì)分?jǐn)?shù)提高后電動(dòng)機(jī)每一個(gè)整步需要的微步數(shù)更多，也就是每個(gè)微步的步距角更小。 由圖 可知，實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是一條多階梯的梯形曲線，用來擬合需要的正余弦曲線，所以也將其稱之為擬正弦曲線。 式 ()即為兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電細(xì)分?jǐn)?shù)學(xué)模型。由 θ 的不同就可以確立不同的細(xì)分方式，圖 是 θ 取 π/16 步長，即電動(dòng)機(jī) 8 細(xì)分時(shí)在一個(gè)步距角內(nèi)電機(jī) A、 B 相電流的變化情況。按式 ()對(duì)電動(dòng)機(jī) A、 B 兩相電流進(jìn)行控制時(shí)，每當(dāng) θ 變化 1176。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由 A 到 B 轉(zhuǎn)過 90176。對(duì)于理想化模型 (不計(jì)鐵心飽和的影響 )，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分別通入模擬的正、余弦電流則可得到類似同步機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，使電動(dòng)機(jī)均勻旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在某一位置時(shí) ，即 0eT? ，則： sin cosa e b eii??? () 為了實(shí)現(xiàn)恒力矩轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持力矩輸出為最大值，假設(shè) A 相電流的變化取三角函數(shù)關(guān)系，即： cosamii?? () 則： sinbmii?? () 式中 θ 為電動(dòng)機(jī)軸預(yù)置位置的電角度。要求定子繞組中的電流以若干個(gè)等寬的階梯上升到額定值，或以同樣的階梯從額定值下降到零[13]。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)定子繞組階梯電流波形示意圖如圖 所示。這里，定子繞組電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，定子繞組電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的步數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 I C 1比 較 器給 定 電 平I C 2環(huán) 形 分 配 器D1LD2RUh 圖 斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理 我們己經(jīng)知道步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)合成方向的變化來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。但它的優(yōu)點(diǎn)也很顯著 :由于使用了電流反饋，繞組電流可以恒定，且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。 斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式的供電電壓比電機(jī)額定電壓高得多，使繞組電流上升和衰減速度很快，通過斬波方式使電機(jī)繞組電流在低速到高速運(yùn)行范圍內(nèi)保持恒電流，從而保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定。由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流上升很快，當(dāng)采樣電阻上的壓降超過給定電壓時(shí)，比較器輸出低電平，關(guān)斷高壓管 TH，之后電流沿著原方向經(jīng)低壓管 TL、采樣電阻、地線、二極管 D， 回路續(xù)流。在電機(jī)某一相的斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路中，有一個(gè)電壓比較器，比較器的一個(gè)輸入端接給定電平，另一端接來自采樣電阻的電平信號(hào)。但是這種驅(qū)動(dòng)方式線路比較復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要針對(duì)不同參數(shù)的電機(jī)相應(yīng)地調(diào)整電壓與輸入控制脈沖頻率的特性。這樣既可提高高頻輸出又能避免低頻可能出現(xiàn)的振蕩。因此，當(dāng) 控制步進(jìn)電機(jī)的頻率變化時(shí)，積分器的輸出和比較器的輸出都跟著改變，從而達(dá)到改變調(diào)壓器的目的 [11]。與一般驅(qū)動(dòng)電路相比，這種驅(qū)動(dòng)電路增加了一套比較電路和調(diào)壓電路。這種驅(qū)動(dòng)方式下，電機(jī)繞組上的電壓隨著工作頻率的變化而變化。高低壓驅(qū)動(dòng)方式常用于大功率驅(qū)動(dòng)電源。針對(duì)這種情況發(fā)展出來帶有多次電流檢測(cè)的高低壓驅(qū)動(dòng)方式。缺點(diǎn)是低頻共振現(xiàn)象仍然存在。所使用的兩種 電壓電源是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)額定電壓和比它高幾倍的電源電壓。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 LDIN+ULRDIN+U( b )( a ) 圖 單電壓驅(qū)動(dòng)方式原理圖 高低壓驅(qū)動(dòng)方式 高低壓驅(qū)動(dòng)的思想是，不論電動(dòng)機(jī)工作頻率多大，當(dāng)相繞組導(dǎo)通時(shí)，高壓功率管和低壓功率管同時(shí)導(dǎo)通，但在導(dǎo)通相的前沿加到繞組上的電壓僅為高端電壓，用來提高電流的前沿上升率，而當(dāng)電流上升到額定值時(shí)，高壓功率管關(guān)閉，只剩下低壓功率管繼續(xù)導(dǎo)通用額定電壓供電以維持相電流。不過這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)也很明顯，它損耗大， 效率低，電源提供的功率大部分都消耗在串聯(lián)電阻上。為改善高速運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，也就是為了減小圖 (a)所示的驅(qū)動(dòng)方式回路的電氣時(shí)間常數(shù)，通常在電樞繞組回路中串入電阻 R，電路如圖 (b)所示。單電壓驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)有 :線路簡單，成本低；低頻時(shí)響應(yīng)較好；有共振區(qū)；高頻時(shí)帶載能力迅速下降。流經(jīng)繞組中的電流以時(shí)間常數(shù) LR(L 為繞組的電感， R 為繞組的電阻 )上升，直到達(dá)到額定電流。 單電壓驅(qū)動(dòng)方式 所謂單電壓驅(qū)動(dòng)，是指在步進(jìn)電機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)工藝的運(yùn)用是提高步進(jìn)電機(jī)性能的一條有效的途徑。因而，在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)是密不可分的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須穩(wěn)定、可靠且高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)自身的性能需要通過一個(gè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器將其驅(qū)動(dòng)工作后，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試才能得知好壞。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與它的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)不可分割的整體。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了以上敘述的幾種常用型式外，還有很多。實(shí)質(zhì)上就是把步距角減少，如前面八拍通電方式已經(jīng)將單四拍或雙四拍細(xì)分了一半。若 rZ =50，則每轉(zhuǎn)為 400 步。 (3)單、雙八拍通電方式 前面兩種通電方式的循環(huán)拍數(shù)都為四，稱滿步通電方式。 (2)雙四拍通電方式 每拍有 兩相繞組同時(shí)通電，兩相控制繞組按 ABB(A)(A)(B)(B)AAB 的次序輪流通電。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 1/4 轉(zhuǎn)子齒距，每轉(zhuǎn)的步數(shù) 4 rZ 。有單四拍、雙四拍和 單、雙 八拍的工作方式等等。( N )( N ) ( N )5 39。( N )( N ) ( N )5 39。 每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距 [8]。 當(dāng)定子繞組按雙四拍和八拍方式通電時(shí)，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子分別轉(zhuǎn)過 176。由此可見，二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定平衡位置是 :定轉(zhuǎn)子異極性的極面下磁導(dǎo)最大，而同極性的極面下磁導(dǎo)最小的位置。若使轉(zhuǎn)子偏離這一位置，如轉(zhuǎn)子向右偏離了一個(gè)角度，則定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置及作用轉(zhuǎn)矩的方向如圖 (b)所示。當(dāng)一相通電，例如當(dāng)A 相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置如圖 (a)所示。因?yàn)橛来糯怕肥禽S向的，在它的磁路上，總的磁導(dǎo)與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。當(dāng)各相控制繞組中沒有電流通過時(shí)，氣隙中的磁動(dòng)勢(shì)僅由永久磁鋼的磁動(dòng)勢(shì)決定。這種情況與驅(qū)動(dòng)器供給正負(fù)脈沖而采用兩相繞組是完全相同的。在圖 中從 I 端看，磁極“ 1”和“ 5”下定轉(zhuǎn)子齒軸線重合，“ 2”極下錯(cuò)開 1/4 齒距，“ 3”極和“ 7” 極下則定子齒與轉(zhuǎn)子槽的軸線相重合。定子是四相八極，每個(gè)定子磁極上有 5 個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子上有 50 個(gè)小齒。這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)有時(shí)是相加的，有時(shí)是相減的，視控制繞組中電流方向而定。 圖 混合式步進(jìn)電機(jī)的軸視圖和截面圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 不同相數(shù)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)如二相、三相、五相、九相和十五相等，它們的工作原理都基本相同。轉(zhuǎn)子由兩段鐵心及環(huán)形永久磁鋼組成，兩段鐵心裝在環(huán)形永久磁鋼的兩端，并且每段鐵心的圓周上都均勻分布有一定數(shù)量的小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，且小齒的齒距與定子上小齒的齒距相同。定子被分成若干個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁線圈，磁極末端有均勻的小齒?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)也 稱為永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，既可用作同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制，也可用作步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置開環(huán)控制?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)具有完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，對(duì)提高它的整體性能很重要。又由于它輸入的是脈沖信號(hào)，所以也叫脈沖電動(dòng)機(jī) [5]。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 2 混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種特殊電機(jī)。 主要完成的工作有 : (1