1、基于 LPC2131 的步进电机控制器的开发 1 目录目录 1.引言. 2 2.基本原理. 2 2.1 步进电机概况 2 2.2 步进电机工作原理 4 2.3 步进电机分类 6 3.硬件系统选择. 7 3.1 核心处理器选择 7 3.2 元器件选择及接口设置 8 4.硬件原理结构框图. 12 5.任务划分及程序大框图. 13 6.PCB 设计及成本估算 15 7.总结. 17 参考文献 19 基于 LPC2131 的步进电机控制器的开发 2 1.引言 步进电机是一种控制电机， 由于不使用反馈电路就能进行速度控制及定位控 制，既所谓的电机开环控制，故越来越多的被应用于现代工业控制系统中。其应 用
2、主要以处理办公业务能力很强的 OA（Office Automation，办公自动化）机器 和 FA （Factory Automation， 工厂自动化） 机器为核心， 并广泛应用于医疗器械、 计量仪器、汽车、游戏机等1。 传统工业中的步进电机控制系统大多数采用的是 8 位单片机如 89C51 系列 作为控制内核，其设计简单、价格低廉且能满足一般的控制要求，但是由于单片 机本身存储空间小，外设资源较少，往往需要与 PC 机联机控制才能实现更高级 的功能，这就带来了实时性能较差，人际交互较为复杂，操作麻烦等问题2。如 果采用功能强大的 32 位 ARM 处理器作为核心，集成电源、电机控制板、步进
3、 电机和人机界面于一体，形成一个完整的嵌入式一体化工业控制机，可以使得控 制系统对步进电机的控制具有更高的实时性和可靠性、更友好的人机界面、更高 的可操作性、更低的总成本和更高的控制精度。本文基于这样一种设想，采用 ARM7 内核的 LPC2131 处理器为核心，设计了一个具有实时操作性和人机界面 的步进电机控制器。 2.基本原理 2.1 步进电机概况1 步进电机属于 DC 驱动的同步电机，但无法直接用 DC 或 AC 电源来驱动， 需配备驱动器才能使用，所以步进电机的运行需要驱动电路。 步进电机驱动电路的任务， 是按顺序指令切换 DC 电源的电流流入步进电机 的各相线圈。图 2.1 为三相
4、VR 型步进电机的绕组外加电源示意图，其中驱动电 路用开关来表示。 图 2.1 中，开关 S1 为 ON 时，第 1 相的绕组导通，如切换第 2 相绕组电流 的指令，S1 将打开变为 OFF 状态，S2 变成 ON 状态。如此，电机转子就旋转一 个固定角度，此只由定子极数与转子齿数的关系来决定的旋转角度，即为电机转 基于 LPC2131 的步进电机控制器的开发 3 动固有的步距角。同样，S3 顺序打开为 ON 状态，S2 转为OFF 状态，电机转子 又转过一个步距角。 依次进行， 电路每切换一次， 电机就以固有的角度转动一步。 图 2.1 步进电机驱动电路原理图 若切换 n次，转子就旋转步距角
5、的 n倍角度；如果没有发出指令，转子则停 止转动。电机以步距角为一步，此旋转角度的大小由电机结构来决定，如果将负 载连接在电机轴上，就可以对负载进行旋转角度的位置控制；改变开关切换速度 （即脉冲频率） 就可改变旋转速度， 故改变速度， 就是要改变图 2.1 中的开关 S1、 S2、S3 的切换频率，即开关 S1、S2、S3 的切换频率与转子转速成正比。 开关的切换频率向来是由驱动电路的指令脉冲频率来决定的。 此种脉冲频率 以 pps（pulse per second）为单位。pps 为每秒脉冲数。图 2.2 为步进电机与驱动 电路的功能框图。 图 2.2 步进电机与驱动电路的功能框图 基于 L
6、PC2131 的步进电机控制器的开发 4 2.2 步进电机工作原理 以两相步进电机为例对步进电机的工作原理进行阐述。 （1）两相电机的单相通电步进顺序 在图2.3中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步 进顺序。在第 1 步中，两相定子的 A 相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定 在图示位置。当 A 相关闭、B 相通电时，转子顺时针旋转 90 。在第 3 步中，B 相关闭、A 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再次旋转 90 。在第 4 步 中，A 相关闭、B 相通电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促使转子按 90 的步 距角顺时针旋转。 图2.3 两相电机的单相通电步进顺序 （2）两相电机的双相通电步进顺序 图 2.3 中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。 更常用的步进方法是“双相激 励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图 2.4 所 示。在第 1 步中，两相定子的 A 相和 B 相同时通电，因异性相吸，再加上力的 相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step1 位置。在第 2 步中，两相定子的 A 相关闭，
