采用LPC2132控制步进电机实现康复机器人系统的设计

引言

LPC2132 是基于一个支持实时防真的嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，并带有32 KB,64 KB,512 KB的嵌入的高速FLASH存储器。其内部有1 个10 位8 路A/D 转换器可用于采集传感器信号，并具有建立在标准定时器0/1之上的脉宽调制器，用于对步进电机的控制。步进电机作为数字化元件，与LPC2132相结合，可以达到精确控制。

1 步进电机的特性

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制的电动机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比，在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。

本设计针对目前各个领域对自动化的需要，采用LPC2132处理器与步进电机结合，并将其应用于康复机器人领域，能够极大的减轻医师的劳动强度，提高对患者的治疗效率。

2 LPC2132 控制芯片的主要功能及应用

（1）LPC2132 芯片当中具有建立在标准定时器0/1上的脉宽调试器（PWM）。通过设置不同的匹配寄存器，可以独立的控制上升沿和下降沿的位置，进而可以控制多相位电机。

（2）具有一个逐次逼近的A/D转换器。其中8个管脚复用为输入脚，可将从角度传感器和力传感器获得的interwetten与威廉的赔率体系 量转化为数字量并进行处理。

（3）具有异步串行口。可以与计算机进行实时信息交互。

（4）具有稳定的时钟电路以及JTAG下载电路。

3 控制系统方案设计

3.1 系统控制原理

由于脑卒中患者腿部不具有正常的支撑能力，所以在康复训练的时候，需要对患者进行减重[7-8].减重控制平台搭建在下肢外骨骼康复训练平台的上方，它通过吊绳（含力传感器）和马甲与患者相连，并且可以跟随患者在设定的轨道上移动，能够实时的对患者进行恒力减重。正常情况下，减重平台在患者的正上方，吊绳与减重平台是垂直的，当患者在康复机器人训练平台上进行康复行走训练时，会带动吊绳偏离竖直方向。角度传感器检测出这个角度，驱动偏移电机动作，从而平复这个角度。控制原理图如图1所示。

3.2 总体结构设计

减重平台上有两个步进电机，分别为偏移电机和减重电机。偏移电机上连有尼龙绳，尼龙绳连接在减重平台的两端，从而带动减重平台左右移动。而减重电机通过一对锥齿轮连接到滚筒上，通过控制滚筒上绳子的收放来调节绳子的张力，以实现减重。

减重平台的结构俯视图如图2所示。

3.3 硬件电路设计

减重控制平台采用双闭环控制，分别为力闭环控制和角度闭环控制。主控芯片采用Phlips 公司的LPC2132 芯片配备外围控制电路模块如图3 所示。

为了消除外接电路的干扰，采用光电耦合电路，将核心控制电路和驱动器电路隔离开来，避免外接电路干扰或破坏核心控制电路[10].本设计选择了TOSHIBA公司的TLP521-4光电耦合芯片。光电隔离电路如图4所示，左侧PWM 作为输入断与芯片的管脚相连，右侧PW 作为输出端与步进电机驱动器相连。

3.4 软件设计

（1）控制系统需要实时的处理拉力传感器和角度传感器采集的信号，并将这些模拟量通过A/D模块转化成数字量。以角度传感器为例，本系统选用的角度传感器是将旋转的角度转换成动态的电压。

如图5为A/D转换流程图，由于控制芯片满额度电压为3.3 V,且转换精度为10 位，即2^10=1 024 级，若从A/D转换寄存器中读到的电压值为V,则实际电压U 为：

（2）要想使步进电机能够运转，需要控制系统提供相应的脉冲信号。通过设置LPC2132芯片中的不同匹配寄存器来获得相应的脉冲信号。通过设置不同的脉冲频率来控制步进电机的转速。软件用C语言编写并在ADS开发环境中完成，将编写好的程序转换成Hex文件，将文件导入到Protues软件当中进行仿真。如图6所示。

（3）通过设置串口，可以与计算机进行实时交互。

LPC2132 具有2 个异步串行口，分别为UART0 和UART1.在串口初始化的时候，必须设置除数锁存器，它保存了用于产生波特率时钟的VPB 时钟分频值，波特率时钟必须是波特率的16倍，计算公式如下：

软件部分需要划分不同的程序模块，包括串口程序，信息采集程序，脉冲调试程序。本软件的编写在适合ARM 芯片的ADS开发环境中进行，并用汇编语言作为启动代码，各程序模块用C语言进行编程。为了消除系统误差，增加系统的响应速度，提高系统的控制精度，本系统引进了PID算法，以实现对系统的闭环控制。

4 结语

本设计以下肢外骨骼康复机器人为研究背景，从工程实际出发，设计了一种康复机器人减重平台。通过LPC2132控制步进电机，实现力闭环和角度闭环双闭环控制。达到对患者的实时跟随，并且恒力减重功能。从而减少了康复医师的劳动强度，提高了患者康复训练的效率。