摘要：在傳統步進電動機驅動系統以單片機或DSP為核心的基礎上，提出一種基于ARM微控制器的步進電動機細分驅動方案，以ARM7微控制器LPC2478為CPU，uC／OSⅡ為實時操作系統，設計了一種采用正弦脈寬調制技術的電流跟蹤型三相混合式步進電動機細分驅動系統。結果表明，該系統結構簡單，人機界面良好，有效地抑制了電機運行時的振動和噪聲，提高了運行平穩性。
關鍵詞：三相混合式步進電動機；ARM處理器；實時操作系統；正弦脈寬調制
中圖分類號：TM383．6 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018f2009110—0056—04
0引言
步進電動機是一種脈沖型執行器件。步進電動機的運行由專門的控制器驅動，驅動器的性能直接
影響步進電動機的運行性能。
本文選用NXP公司的ARM7TDMI內核控制器LPC2478為CPU，并移植了bC／OS lI操作系統。
利用正弦波細分控制技術實現了對步進電動機的驅動，提高了步進電動機的分辨率，并有效改善了它的低頻運行特性。在工控領域中，這種嵌入式系統應用廣泛，如用于激光加工、自動焊接設備的控制系統
1正弦脈寬調制的細分驅動原理概述
細分驅動的基本原理是將繞組中給定的電流細分，由按一定階梯順序變化的階梯波供電取代常規
的矩形波供電方式，實現電流的分段變化，從而將每一自然步進行細分。細分驅動不僅減少了步進電動機的步距角，也為電機的運行帶來優點。因細分后減少了一次驅動電流的變化幅度，使轉子到達平衡位置時的過剩能量減少，可降低電機低速運行時的振動和噪聲，提高運行平穩性。
細分驅動****的控制方式是在電機內產生均勻的圓形旋轉磁場，各相繞組的合成磁勢矢量在空間
做幅值恒定的旋轉運動。這就要求在各相繞相中通以正弦電流。
以三相混合式步進電動機為例，三相繞組A、B與C在空間位置上相差三分之二π給三相繞組分別通以相位相差三分之二π的正弦波電流。設三相繞組電流分別為：
則定子合成的磁動勢(以F。為參考)為：
可以看出，三相混合式步進電動機其實就是一個步進運行的永磁同步電動機。定子合成磁動勢是
一個步進的旋轉磁動勢。當通以三相連續的正弦電流，合成的磁動勢將保持幅值不變，連續旋轉，實現步距角的細分
本設計采用脈寬調制的細分驅動技術。用一系列幅值相同而占空比按正弦規律變化的脈沖信號，
即sPwM波模擬正弦波，通過對高速M0s管導通和關斷的控制來調節導通時間，從而控制電機相繞組中平均電流的大小實現細分驅動。
2選用A】ElM7的優勢
常用的步進電動機驅動設備多采用8位單片機或DsP為cPu。單片機價格低廉、設計簡單。但存
在存儲容量小、運算速度慢、實時性弱、人機交互開發復雜等問題。基于32位ARM內核的微控制器采用RISC：架構、三級流水線、FLL倍頻等先進技術、其性能是Mcu所無法比擬的。DsP芯片多應用于有復雜算法的場合，但存在操作系統單一、用戶界面開發難度較大、可移植性較差等弱點。與之相比，ARM具有較強的事務管理功能，易于移植各種嵌入式實時操作系統.經過多年發展，已成為工控領域的主流設計方案。
經比較，本文選擇了NxP公司的LP2478作為cPu，該芯片在設計中具有如下優勢：
(1)運算速度快：LPc2478芯片基于ARM7TDMI內核，90％的指令都是單時鐘周期指令。
(2)開發界面友好：采用一體化集成開發環境IAR—Embedded workbench，開發環境友好，可通過J—LINK進行在線實時調試。
(3)易于移植操作系統：較DsP，ARM更易移植實時操作系統，滿足系統實時性要求。
(4)可開發人機界面：ARM處理器便于開發人機交互界面。本系統改進了常用驅動器不帶人機界
面的現狀。利用Lf】c2478芯片內部自帶LcD控制器，軟件上發揮多任務調度的優勢，提供了r觸摸屏操作，構成良好的人機界面。
3硬件設計
3 1系統組成
本系統硬件設計由控制面板、ARM主控、11／A轉換、脈寬調制、隔離、柵極驅動、功放、電流反饋和保護電路組成。控制面板作為人機交互界面與ARM進行通信，實現對操作的觸發和監控功能；ARM產生控制脈沖和D／A轉換的數據信號；由D／A轉換成正弦波信號后經脈寬調制成sPwM脈沖信號，通過專用芯片控制功放部分MOsFET管的通斷，功率放大后驅動電機負載。由電流監測芯片實時采樣繞組中的電流信號形成閉環。系統框圖如圖l所示。
3．2系統主要硬件描述
(1)正弦信號產生電路
IfPc2478作為系統的主控單元，它接收外界的控制信號，包括細分檔位、運行脈沖頻率、正反轉和起停等，然后輸出存儲器中相應的電流控制信號，再經D／A轉換成模擬信號。本系統選用DAc7644(高速高精度四通道16位數模轉換器)產牛三路高分辨率的正弦波信號，和有32位I／0總線寬度的ARM配合使用，提高_r輸出正弦波的轉換速度和精度。同時系統為DAc7644外接了基準源和跟隨器。
(2)PwM斬波恒流控制電路
脈寬調制電路是本系統的關鍵部分。D／A轉換值輸入到sG3525內部誤差放大器同相輸入端，
繞組電流反饋信號輸入到反相輸入端，經內部的誤差放大器、比較器及PwM鎖存電路，sG：3525將輸出兩路互補的單極性PwM信號。若反相輸入端輸入的反饋信號變大則輸出的占宅比變小，繞組的通電時間縮短，繞組電流減小；反之，繞組電流將增大。這樣使繞組電流在一個恒定的電流值附近波動，不會變化太大，實現了斬波恒流控制。
(3)功率與采樣電路
系統采用三相全橋逆變電路，如圖2所示。由六只高頻功率場效應管IRF540搭成。本設計中產
生的sPwM信號經6N137光耦隔離后，通過具有自舉功能的MOsFET驅動芯片IR2110的上通道送入逆變橋的上橋臂，進行下橋導通、上橋斬波的工作過程。
系統在功率橋的下端與地之間串聯一個100mn電阻，采樣得到的模擬電壓，進入電流采樣芯片
MAx408l。在隔離側的另一邊得到一個增益和偏置可調的輸出電壓。這個輸出電壓與電機電流成正
比，作為反饋被送人sG3525誤差放大器的同相輸入端，實現斬波恒流的電流跟蹤型PwM控制功能。
(4)保護電路
為r避免電機運行時總功率超過預定的門限值，系統對主回路電流進行了采樣，電流取樣電阻
R1=0.1 Ω：參考電平uref可通過Rref調節。當逆變器總電流尖峰值超過Imax時比較器的輸出為低電平，送到sG3525的保護引腳，封鎖PwM輸出。電機停止工作，系統受到保護。
(5)LCD控制電路
LPc2478內部集成了LcD控制器，可以提供直接連接多種類型LcD面板接口所必需的信號，使用
方便。本系統中，選用sHARP公司的LQ03113【)X02觸摸屏與LPc2478的I／O口相連，即可實現硬件連接。
4軟件設計
4 1μC／OsⅡ操作系統
系統采用μc／0s一Ⅱ操作系統。移植主要完成的工作是修改與處理器相關的三個文件(Os—cPu．H，Os-cPu—AsM.s，Os—cPu c．c)，只需編寫少量代碼即可完成系統的移植。
系統LcD顯示由μc／GuI實現。μc／cuI是Micrium公司開發的通用嵌入式用戶圖形界面軟件。
μc／GuI能夠應用于任何IcD控制器和cPu的任何尺寸的物理顯示或者模擬顯示中。μc／GuI與
μc／Os一Ⅱ的整合，主要工作是修改GuJ—x.c文件。
4 2軟件任務劃分
應用軟件有四個主要任務，優先級由高到低分別為：鍵盤、細分控制、LcD顯示、串口等任務。這些任務同時需要和對應的中斷服務程序配合協同工作。
系統軟件流程如圖4所示。
其中鍵盤任務和LcD顯示任務配合工作作為人機交互界面，使系統
的操作簡單直觀。細分控制任務主要用于按用戶定制的要求，輸出存于芯片FLASt{中的=進制正弦表供D／A芯片進行轉換。另外，系統也增加了串口功能．可在需要時通過上位機對整個系統進行控制。
細分驅動子程序由擬正弦波法和電流矢量恒幅均勻旋轉法產生數據并存儲于FLASt{中，通過查表
輸出符合細分倍數的數據。執行細分時，不同細分狀態下只有查表偏移量不同，不同轉動方向也只是查表方向不同。
5測試分析
本設計以三相混合式步進電動機sHB：368為實驗對象進行研究。步進電動機基本參數如下：步距角為1．2。(整步)；相電流為5 8 A(三角形接法)；保持轉矩為1．5 N·m；相電阻為0．9 1)等。
為了驗證控制電路的性能，在步進電動機一相繞組中串聯一個小阻值電阻，用示波器測得此電阻
兩端的電壓波形即代表電機一相繞組的電流波形。圖5分別是系統在整步運行、4細分運行、30細分運行時的相電流波形。
在控制信號頻率相同的條件下，4細分的相電流波形與整步運行時的波形比較有明顯的改善，但由于細分數較低，電流波形有明顯的階梯感。30細分下的三相電流波形，隨著細分數增加．電流波形將變平滑，電機的運行也將越平穩。通過現場實驗觀察得出，細分數較低時，電機的機械噪聲和振蕩現象非常嚴重，隨著細分數增高，振蕩和噪聲明顯減輕，由此說明對步進電動機實施細分控制有效抑制了低頻振蕩和噪聲，提高了運行平穩性。由圖5還可以看出，三相繞組電流波形符合正弦變化規律，相位始終相差120°，符合前文推出的電流函數的相位關系。
為了驗證系統的帶負載能力和實時性，我們進行了實驗。因實驗室現有條件所限，將電機安裝在一個二維機械平臺上，在平臺上放置一水杯，通過運行時水杯中水面地波動可演示性地粗略分析電機運行的特性。由圖6、圖7可以看出，X軸在驅動器帶動下做直線運動帶來平臺振動，從而引起水面波動，說明負載已被帶動。由水面波動的幅度可看出，電機運行在細分控制下比在整步控制下平穩性有明顯改善。同時現場實驗表明，在觸摸屏的操作下，基本可滿足實時性要求。
6結語
本文詳細分析了一種基于ARM7和LLc／Os一Ⅱ的步進電動機驅動系統的軟硬件設計方案，通過
系統設計和調試可以得出以下結論：
(1)以ARM為核心控制器件，結合sPwM電流恒轉矩控制方案，在步進電動機繞組上得到受控
的正弦波電流，可以實現步進電動機的細分驅動，改善步進電動機運行效果。
(2)以μc／0s一Ⅱ為操作系統，多任務的使用，使任務同步運行可靠、穩定，也滿足系統實時性要求。且有利于LCD的顯示控制，提供良好的人機界面。
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