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| 基于LPC2132的直流电机网络控制器(zxj) |
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摘要：改系统设计了一套全数字式的直流电机控制器．把高性能的ARM处理器与先进的电流传感器IR217l相结合，通过上亍Pc进行数拈通信，实现直流电机的多节点远程控制，成功设计了全数字式直流电机控制系统。测试结果表明本系统具有结构简单、控制方便、抗十扰能力强、故障诊断和保护等优点，具有很好的实用价值。
关键词：数字式直流电机控制器；ARM处理器；多节点远程控制；故障珍断和保护0 引 言微电子技术的不断发展给使用ARM处理器实现数字直流电机控制提供了有利的条件。经验表明利用数字控制实现的赢流电机控制比以往的模拟控制能有更高更强的抗干扰能力。传感器技术的快速发展，以及各种数字电流、温度传感器的成功应用，使得利用传感器和数字处理器实现高精度控制和故障诊断与保护成为可能，并且能为事后数据分析提供可靠的保证。数字控制系统能通过总路和网络与Pc机实现远程数据交换，这样就能够实现分布式远程控制。，虽然我国是个制造业大国，但现在我国工、眦生产当中仍有很多电机控制还是模拟控制或者简单的数字控制，这严重制约了T业生产的效率和质量。相信如果T业生产巾的直流电机控制全部应用数字控制技术，那么我们国家的下业水平一定能够更上一个台阶。
1系统结构设计嵌入式直流电机控制器是全数字式电机控制系统。其硬件系统主要包括主控制器、电源电路、串行通信模块、编码器信号倍频鉴向电路、光电隔离电路、温度采集电路，EEPROM用户自定还原设置数据存储、H桥控制及电流采样电路等几部分。
系统结构框图如图1所示。2系统各部分电路设计主控制器电路模块：本系统采用Philips公司的高性能ARM芯片I．Pc2】32作为系统的主控制器，这款芯片不但计算速度快，而且具有较大的数据和程序存储器，还有强大的定时器，边沿捕获等功能。
因此它能满足直流电机控制器主控制器的要求。
图2为数字电源和模拟电源生成电路图。电源电路：日前主要将本系统应用在小型自动机器人上，所以对电源的要求比较高。故本系统采用由六节3 7 V锂电池串联作为外部供电电源U24，其单节满电电压是4．2 v。为了消除系统的主同路对控制电路性能的影响本系统从电源端就开始实施模数隔离。
系统中除了外部电源外还需要用于给数字控制部分供电的5Vd、用于给主控制器LPc2132供电的3．3Vd、还有模拟电源如用于给电流传感器等供电的12Va、用于给光电隔离电路等供电的5Va”0。
5Vd是将u24通过Henlv24(]5生成的。Henlv2405是一种隔离式高效开关电源模块，具有体积小、电磁兼容性好、输出纹波噪声小，输出电压精度高、瞬变响应快等优点，并且内置EMI滤波单元，过流、过压及输出短路、过载、过热、保护电路。3 3vd则是5v(1通过H17533转换生成的。HT7533是一种高性能的二端稳压器，它不仅体积小，低功耗，低压降，而且温漂小，输入电源范围广，输出电压稳定。
12Va是将u24通过LM2596—12转变而成的。
LM2596 12****的特点就是应用起来简单方便。并且它还有3 A的带载能力，很强的白保护能力。5Va是将12Va通过Mc34063转变而成的。Mc34063是种单片双极性线性集成电路，片内包含有温度补偿带隙基准源，一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输m 1．5 A的开关电流。
它具有能在3．0～40 V的输入电压下工作、短路电流限制、低静态电流、输出电压可调等特点。
本系统的串行通信电路采用Rs232通信标准。
本系统采用的电路如图3所示。图中的sP3220B是一种发送和接收都可以开通和关断的Rs232收发芯片，其1号引脚EN是接收使能引脚，低电平使能接收。。在实际应用中，本系统作为从机使用，需要它能随时接收上位机的指令，故将EN引脚直接接到低电平。而sP3220B的16号引脚sHDN是发送使能引脚，高电平使能发送。考虑到在实际应用中可能会有多个本系统甚至可能会有类似的系统共同并联作为从机。为了避免发送的信号电平相瓦影响造成主机无法正常接收信息，故将sHDN引脚接到主控制器的I J1_21引脚上，需要发送信息时置高否则置低，这样就能方便组网。
系统的正交编码器信号倍频鉴向电路与信号时序如图4所示。由于靠近电机所以从编码器检测到的信号可能夹杂着一些毛刺，故将编码器的信号A、B两相信号经过施密特触发器u5和u6进行适当的调节。经过施密特触发器的信号就是标准的脉冲信号，再经过D触发器就能判断出电机的转向。为_『得到更高的检测精度，将两路信号经过xOR门电路得到频率是原始信号2倍的脉冲信号。借助于系统主控制器的上下边沿的捕获功能就能读取原始信号4倍的脉冲数。
本系统的H桥是用时下比较流行的半导体场效应管IRF3 2(】5搭建的”0。其控制电路是通过两片I融l()4实现的。IR2104是一种能够有效实现上下臂互锁、自带死区和锁存机制的高电压大电流半桥驱动芯片”。。
同时为了能够有效的确保控制系统稳定的工作还引入了高速光电隔离器6N137。电机电流的采样是用IR2171来实现的。它是一种能够将采样电阻两端的电压转换为频率为40 kHz的PwM的芯片，并通过其占空比反映电压大小。其电路图如图5所示3系统软件设计本系统的软件实现由系统主程序和若十个功能模块共同完成的。主要包括与上位机通信模块，传感器采集模块，数字控制模块和故障诊断和保护模块等。主程序流程图如图6所示。
与上位机之间的通信采用的是直观的AscⅡ指令集协议，通过RS232接口与Pc机或其它E位机相互通信。这样就能方便的通过上位机软件实现参数的配嚣或者运动曲线的监控。具体的指令格式如3V500表示的指令是3号节点的目标速度是500 r／min，5VP20号指的是5号节点的速度调节器的P参数是20。例如PID参数、节点地址和保护限制参数等需要加载指令Load或者保存指令save才能生效。
传感器采集模块的作用是通过系统主控制器的捕获功能渎取正交编码器和电流传感器的脉冲，还能运，L}j单总线协议通过温度传感器13518820采集控制器的温度。速度计算方法采用的是M／T法，这种方法兼顾了高低速运行的特点，能够更为准确的反馈电机的转速。巾于传感器本身的特点采集回的电流数据会有一些周期性干扰，故采用了一阶滞后滤波法”对采集叫的原始数据进行处理。
数字控制模块是按照上位机发送的运动指令运用速度电流双闭环PID控制的方法控制电机运转“。
如果没有接收过指令，那么默认的速度是0 r／mj，即自锁。离散化的HD表达式是故障诊断和保护模块是利用传感器采集模块的数据，再根据上位机指令设置的速度电流的限制。
如果超出了限制数据控制器就会自动停机同时输出报警信号，重新启动才能正常工作。
4实验结果与分析实验中使用LabView环境编写的上位机软件对控制器运行情况进行监控，并变化目标速度，而且对其施加了如突变外部电源电压和负载转矩等干扰。发现系统能在快速性准确性和稳定性上达到应用要求，而且其****负载功率能够达到200 w。图7为电机转速-从O r／m面加速到q000 r／血n的监控界面。
5结语本文采用高性能的ARM处理器结合先进的电流传感器，设计m的全数字式直流电机控制器有效的实现数字电路和模拟电路的隔离，而且还实现了网络连接使得远程多节点控制成为可能。实验表明该系统，能够满足中小型机器人的应用要求。 |
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