基于DSP的步进电机控制模块设计

DSP基础与应用系统设计课程设计 课程设计报告题目: 基于 DSP 的步进电机控制模块设计 姓 名： 吴清清 院 系： 电力学院 专 业： 电子科学与技术 学 号： 201312309 指导教师： 谭联 完成时间: 2016 年 12 月 31 日摘要电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，微处理器已经广泛用于电动机控制领域。由于处理数据量的增加和对实时性的要求不断提高，传统的基于单片机的控制策略越来越不能满足需要，随着数字信号处理器（DSP）的迅速发展及性价比的不断提高，数字信号处理器应用于电动机控制领域已经成为一种趋势。因此研究 DSP 在控制系统中的应用也有重要的意义。关键词：电动机控制；步进电动机；数字信号处理器；控制系统目录摘要1 课程设计题目、内容与要求 .11.1 设计内容 .12.步进电机的介绍 .12.1 步进电机的概念 .12.2 步进电机的原理 .12.3 步进电机的分类 .13 系统设计 .23.1 DSP 芯片的选择 .23.2 系统框图 .23.3 步进电机的 DSP 控制 .23.3.1 芯片在电机控制中的应用 .24.硬件电路设计 .34.1 驱动电路 .44.2 时钟电路 .44.3 复位电路设计 .54.4 外部存储器设计 .54.5JTAG 仿真接口 .65 程序设计 .75.1 流程图 .75.2 程序 .86 实验现象 .87.总结 .98.参考文献 .9附录： .1011 课程设计题目、内容与要求 1.1 设计内容利用 DSP 设计一个步进电机控制模块。掌握使用 DSP 的扩展 I/O 端口控制外围设备信息的方法。掌握使用 DSP 通用计时器的控制原理及中断服务程序的编程方法。了解步进电机的控制方法。1.2 具体要求（1）完成硬件各部分的设计（2）软件部分的设计。2.步进电机的介绍2.1 步进电机的概念步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.2 步进电机的原理当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。2.3 步进电机的分类目前常用的有三种步进电动机：(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。2(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机3 系统设计 3.1 DSP 芯片的选择本次课程设计选用的芯片为 TMS320F28335DSP 芯片。TMS320F28335 型数字信号处理器 TI 公司的一款 TMS320C28X 系列浮点 DSP控制器。与以往的定点 DSP 相比，该器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D 转换更精确快速等。TMS320F28335 具有 150MHz 的高速处理能力，具备 32 位浮 点处理单元，6 个DMA 通道支持 ADC、McBSP 和 EMIF，有多达 18 路的 PWM 输出，其中有 6 路为 TI特有的更高精度的 PWM 输出 (HRPWM)，12 位 16 通道 ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代 DSC 相比，平均性能提高 50%，并与定点 C28x 控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。F2833X 在保持 150MHz 时钟速率不变的情况下，新型 F2833X 浮点控制器与 TI 前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高 50%。与作用相当的 32 位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多。3.2 系统框图图 1 步进电机设计原理3.3 步进电机的 DSP 控制3.3.1 芯片在电机控制中的应用DSP 器件具有较高的集成度，具有比单片机更快的 CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和 FIFO 缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。最3为突出的是，DSP 器件精简的指令系统（大多数指令能在一个指令周期内完成） 、独立的程序和数据空间等使其具有高速的数据运算能力。采用基于 DSP 的电机专用集成电路的另一个好处是，可以降低对传感器等外围器件的要求。而且，DSP 控制器能自接以动态控制方式运行，无需依赖于过去查寻图表的方式。在高速控制中，使用 DSP 可进行通常的位检测和逻辑运算以及高速数据传送。随着价格的日益下降，性能不断提高，采用 DSP 器件代替单片机来控制电机将成为电机控制的发展趋势。 DSP 用于电机控制有很多好处： （1）执行高级运算，减少力矩纹波，从而低振动、长寿命； （2）高级运算使得谐波小，很容易满足国家标准要求，降低滤波器成本；（3）提供无传感器运算，省去位置和速度传感器； （4）减少查询表，降低内存需求； （5）实时产生平滑的、近乎完美的参考模型，获得好的性能； （6）控制逆变器，产生高精度 PWM 输出； （7）提供单片控制系统。 3.3.2 步进电机的 DSP 控制原理 DSP 事件管理器的比较单元总共可以产生 12 路 PWM 脉冲，算上通用定时器的比较操作总共可以提供 16 路 PWM。每个步进电机需要 2 路 PWM，一路用于转向控制，一路用于步进控制。步进电机的驱动电路是根据控制信号工作的，在步进电机的 DSP 控制中，控制信号是由 DSP 产生的。其基本控制作用如下： （1）换相顺序 步进电机的通电换相顺序是严格按照步进电机的工作方式进行的，通常把通电换相这一过程称为“脉冲分配” 。例如，三相步进电动机的单三拍工作方式，其各相通电的顺序为 ABC，通电控制脉冲必须严格地按照这一顺序的分别控制 A，B，C 相的通电和断电。 （2）步进电机的转向 通过前面介绍的步进电动机的原理我们已经知道按给定的工作方式正序通电换相步进电机就正转；如果按反序通电换相，则电机就反转。例如四相步进电动机工作在单四拍方式，通电换相的正序是 ABCD，电动机就正转，如果按反序 ADCB，电动机就反转。 （3）步进电机的速度 如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一个步距角，再发一个脉冲，它会再转一个步距角。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快，因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。 4.硬件电路设计4图 2.系统控制硬件框图4.1 驱动电路4.1.1 驱动器的选择 设计中，执行元件选用的是两相混合步进电机，故可用 CPLD 和 L298 两芯片可方便地组成步进电动机控制驱动器，其中 CPLD 是步进电动机控制器（包括环形分配器） ，L298 是双 H 桥式驱动器。它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的接口的优点是，需要的元件很少，从而使得装配成本低，可靠性高和占空间小。并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。（1）L298 芯片的介绍L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-BridgeDriver ) ，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑准位信号，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号， 。L298N 之接脚如图 9 所示，Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。4.2时钟电路TMS320F28335 上有一个基于 PLL 电路的片上时钟模块，为 CPU 及外设提供时钟有两种方式：一种是用外部的时钟源，将其连接到 XTAL1 引脚上或者XCLKIN 引脚上，XTAL2 接地；另一种是使用振荡器产生时钟，用 30MHz 的晶体和两个 20PF 的电容组成的电路分别连接到 XTAL1 和 XTAL2 引脚上，XCLKIN 引脚接地。我们常用第二种来产生时钟。此时钟将通过一个内部 PLL 锁相环电路，进行倍频。由于 F28335 的最大工作频率是 150M，所以倍频值最大是 5。其中倍频值由 PLLCR 的低四位和 PLLSTS 的第 7、8 位来决定。时钟电路如下：TMS320F28335外部存储器时钟电路复位电路驱动电路JTAG 仿真接口M5图3.时钟电路4.3复位电路设计TMS320F28335 芯片具有复位操作功能。引脚 RS 为复位电平输入引脚，此引脚 输入低电平时复位有效。RS 是不可屏蔽的外部中断，并具有最高优先级，可以在上电 或芯片工作的任何时候进行复位，以便把 TMS320F28335 芯片置为初始状态。通常在 上电之后，系统的振荡器处于不稳定的起振工作阶段，芯片也就处在未知状态，因此， 在每次上电之后都应使芯片处于复位状态，即使RS 引脚电平为低。 本次设计采用的复位电路由 3.3V 电源接通 DSP 的 RST 引脚，达到复位的目的。图4.复位电路4.4外部存储器设计我们在芯片外扩展了 64K*16 位的存储器，存储器占用的地址空间共有256K，因此片外存储器实际占用的地址是 0x0100000-0x0110000，其他的部分暂时没有使用，如果有特殊需要，可以最多放置 512K 的存储器。片外扩展的存储器型号是 IS61LV6416,这种器件可以按照 8 位或 16 位的方式使用，它的电平可以和通常的 3.3V 器件连接。存储器与 DSP 连接的示意图如下所示。6图5.存储器与DSP连接的示意图外扩的存储器可以实现随机访问，这部分映射空间可以在 DSP 上电复位后的任何时候访问，此时不需要对 DSP 做任何初始化。如果需要这部分存储器在高速的状态下运行，需要修改 DSP 的存储器等待状态。具体设置 DSP 的存储器和数值可以参考 TMX320F28335 数据手册。一般来说，为保证存储器的稳定读写，当 DSP 在最高速状态运行时，只需要 1 个软件等待状态。4.5JTAG 仿真接口JTAG 目标器件通过专用的仿真端口支持仿真，此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能。JTAG 接口电路为仿真器与微机的接口电路，便于系统进行在线调试。在仿真器和 JTAG 目标系统之间提供高质量的信号是极为重要的，用户必须提供正确的信号缓冲，测试时钟输入以及多处理器的内部连接，以确保仿真器和目标系统良好工作。为了便于 DSP 写入程序，设计了 JTAG 仿真接口。如图 3-10 所示：电路与 DSP 的 TMS，TDI，TDO，TCK，EMU0，TRST ，EMU1 的引脚相连组成 JTAG 仿真接口。TMS 引脚带内部上拉的 JTAG 方式选择，该串行控制输入在 TCK 的上升沿锁存到 TAP 控制器中。TDI 引脚带内部上拉 JTAG 测试数据输入，在 TCK 的上升沿从 TDI 输入的数据的锁存到选定的寄存器中。TDO 为 JTAG 扫描输出，测试数据输出，在 TC