第 1 页基于 ARM 的步进电机细分驱动控制设计引言随着微电子和计算机技术的发展，步进电 机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括 ARM 最小系统、控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的设计，以及硬件电路在电路板上的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在 LED 数码管上。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。一、 ARM 的简介1.概 念 ;ARM（ Advanced RISC Machines） 处 理 器 是 Acorn 计 算 机 有 限 公司 面 向 低 预 算 市 场 设 计 的 第 一 款 RISC 微 处 理 器 。 更 早 称 作 Acorn RISC Machine。 ARM 处 理 器 本 身 是 32 位 设 计 ， 但 也 配 备 16 位 指 令 集 。 一 般 来 讲比 等 价 32 位 代 码 节 省 达 35%， 却 能 保 留 32 位 系 统 的 所 有 优 势 。 ARM 的 Jazelle 技 术 使 Java 加 速 得 到 比 基 于 软 件 的 Java 虚 拟 机(JVM)高 得 多 的 性 能 ， 和 同 等 的 非 Java 加 速 核 相 比 功 耗 降 低80%。 CPU 功 能 上 增 加 DSP 指 令 集 提 供 增 强 的 16 位 和 32 位 算 术 运 算能 力 ， 提 高 了 性 能 和 灵 活 性 。 ARM 还 提 供 两 个 前 沿 特 性 来 辅 助 带 深 嵌 第 2 页入 处 理 器 的 高 集 成 SoC 器 件 的 调 试 ， 它 们 是 嵌 入 式 ICE-RT 逻 辑 和 嵌入 式 跟 踪 宏 核 (ETMS)系 列 。 2.特 点 ：ARM 处 理 器 的 三 大 特 点 是 ： 耗 电 少 功 能 强 、 16 位 /32 位 双 指 令集 和 合 作 伙 伴 众 多 。 1、 体 积 小 、 低 功 耗 、 低 成 本 、 高 性 能 ； 2、 支 持 Thumb（ 16 位 ） /ARM（ 32 位 ） 双 指 令 集 ， 能 很 好 的 兼 容8 位 /16 位 器 件 ； 3、 大 量 使 用 寄 存 器 ， 指 令 执 行 速 度 更 快 ； 4、 大 多 数 数 据 操 作 都 在 寄 存 器 中 完 成 ； 5、 寻 址 方 式 灵 活 简 单 ， 执 行 效 率 高 ； 6、 指 令 长 度 固 定 。 (3)体 系 结 构 : CISC（ Complex Instruction Set Computer， 复 杂指 令 集 计 算 机 ） 在 CISC 指 令 集 的 各 种 指 令 中 ， 大 约 有 20%的 指 令 会 被 反 复 使 用 ，占 整 个 程 序 代 码 的 80%。 而 余 下 的 80%的 指 令 却 不 经 常 使 用 ， 在 程 序设 计 中 只 占 20%。 RISC（ Reduced Instruction Set Computer， 精 简 指令 集 计 算 机 ） RISC 结 构 优 先 选 取 使 用 频 最 高 的 简 单 指 令 ， 避 免 复 杂 指 令 ； 将 指令 长 度 固 定 ， 指 令 格 式 和 寻 地 方 式 种 类 减 少 ； 以 控 制 逻 辑 为 主 ， 不 用或 少 用 微 码 控 制 等 RISC 体 系 结 构 应 具 有 如 下 特 点 ： 1 采 用 固 定 长 度 的 指 令 格 式 ， 指 令 归 整 、 简 单 、 基 本 寻 址 方 式 有 第 3 页2 3 种 。 2 使 用 单 周 期 指 令 ， 便 于 流 水 线 操 作 执 行 。 3 大 量 使 用 寄 存 器 ， 数 据 处 理 指 令 只 对 寄 存 器 进 行 操 作 ， 只 有 加载 / 存 储 指 令 可 以 访 问 存 储 器 ， 以 提 高 指 令 的 执 行 效 率 。 (4)寄 存 器 结 构ARM 处 理 器 共 有 37 个 寄 存 器 ， 被 分 为 若 干 个 组 （ BANK） ， 这 些 寄 存器 包 括 : 31 个 通 用 寄 存 器 ， 包 括 程 序 计 数 器 （ PC 指 针 ） ， 均 为 32 位 的寄 存 器 。 6 个 状 态 寄 存 器 ， 用 以 标 识 CPU 的 工 作 状 态 及 程 序 的 运 行 状 态 ，均 为 32 位 ， 目 前 只 使 用 了 其 中 的 一 部 分 。 3.指 令 结 构 ARM 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM 指令集和Thumb 指令集。其中，ARM 指令为 32 位的长度，Thumb 指令为 16 位长度。Thumb 指令集为 ARM 指令集的功能子集，但与等价的 ARM 代码相比较，可节省 30%40%以上的存储空间，同时具备 32 位代码的所有优点。本实验采用 ARM 中 ARM7 引系列的 LPC2131 二硬件电路设计1、硬件电路设计思路步进电机控制系统共分为四个模块：ARM 模块、控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。ARM 最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为 ARM 系统提供可靠复位，使 ARM 能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证 ARM 个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。 第 4 页步进电机驱动模块选用八 NPN 达林顿连接晶体管 2803 为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与 ARM 的 P1.22P1.25 相连。2、总体框图设计总体设计框图如图 2-1 所示：LPC2131控制模块电机驱动模块步进电机图 2-1 总体设计框图说明如下：(1) ARM 接受按键信息，改变系统内部变量值。(2) ARM 输出脉冲信号，控制步进电机转动。三 、步进电机1.步进电机概念步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输 第 5 页入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角） 。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。2.步进电机特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从 20 世纪 80 年代开始开发出了专用的 IC 驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的 OA 装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点：不需要反馈，控制简单。 与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。 没有角累积误差，停止时也可保持转距。没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。即使没有传感器，也能精确定位。根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。难以获得较大的转矩不宜用作高速转动在体积重量方面没有优势，能源利用率低。超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 第 6 页实 验 所 用 电 机 ： 28BYJ-48 步进电机步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）由于步进电机的驱动电流较大，单片机不能直接驱动，一般都是使用 ULN2003 达林顿阵列驱动，当然，使用下拉电阻或三极管也是可以驱动的，只不过效果不是那么好，产生的扭力比较小。四、外围电路设计分析 第 7 页1、步进电机驱动电路本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用 ULN2003 为步进电机提供脉冲信号。管脚如图 3-1 所示：图 3-1 内 部 管 脚 图ULN2003 内 部 集 成 了 一 个 消 线 圈 反 电 动 势 的 二 极 管 ， 可 用 来 驱 动继 电 器 。 它 是 双 列 16 脚 封 装 ,NPN 晶 体 管 矩 阵 ,最 大 驱 动 电 压 =50V,电流 =500mA,输 入 电 压 =5V,适 用 于 TTL COMS,由 达 林 顿 管 组 成 驱 动 电 路 。ULN 是 集 成 达 林 顿 管 IC,内 部 还 集 成 了 一 个 消 线 圈 反 电 动 势 的 二 极 管 ,它的 输 出 端 允 许 通 过 电 流 为 200mA， 饱 和 压 降 VCE 约 1V 左 右 ， 耐 压BVCEO 约 为 36V。 采 用 集 电 极 开 路 输 出 ， 输 出 电 流 大 ， 故 可 直 接 驱 动继 电 器 或 固 体 继 电 器 ， 也 可 直 接 驱 动 低 压 灯 泡 。 通 常 单 片 机 驱 动ULN2003 时 ， 上 拉 2K 的 电 阻 较 为 合 适 ， 同 时 ， COM 引 脚 应 该 悬 空 或 接电 源 。 ULN2003 是 一 个 非 门 电 路 ， 包 含 7 个 单 元 ， 单 独 每 个 单 元 驱 动 电流 最 大 可 达 350mA， 9 脚 可 以 悬 空 。 比 如 1 脚 输 入 ， 16 脚 输 出 ， 你