基于DSP的步进电机控制器的设计

DSP 原理及应用课程设计指导书学 院 ：机械工程学院系 所 ：测控技术与仪器系班 级 ：姓 名 ： 学 号 ：指导老师：江苏大学测控技术与仪器系2016-01-18应用于包装机的步进电机控制器的设计（江苏大学机械工程学院仪器科学与工程系，江苏，镇江，212013）摘要本文介绍了以典型电机微控制器 TMS320LF2407 芯片为控制核心的步进电机控制系统，阐述了如何利用 TMS320LF2407 实现电机转向、速度控制，并给出了相应系统控制策略。简述了步进电机的驱动控制和 DSP 的 PWM 脉宽调制原理，详细阐述了 DSP 实现步进电机的加减速控制问题。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，广泛运用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域。DSP 芯片的出现，开创了步进电机控制的新局面。用 DSP 控制的步进电机不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了电机控制的精度和控制系统的智能化，从而逐步实现控制系统的嵌入式。基于 DSP 的步进电机控制技术在九十年代时期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域。数控机床、跟踪卫星用电经纬仪在采用了步进电机技术后，大大提高了控制与测量精度，这样就使步进电机伺服系统的应用前景更加广阔。鉴于此，本文提出了基于 DSP 的步进电机控制系统的设计方案。包括其硬件设计和软件设计。在软件设计中给出了主要控制程序，达到对步进电机转向、转速的控制，如正转、反转、加速、减速等。使用 DSP 最明显的优点在于提高了系统的可靠性，并降低了整个系统的成本。实验证明，此驱动系统简化了电路，提高了系统控制性能。关键词：步进电机；DSP;控制系统；TMS320LF2407；目录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 数字信号处理器 DSP 发展和现状 .21.3 课题背景及意义 .3第二章 总体方案设计 .52.1 设计方案 .52.2 TMS320LF2407 DSP 芯片介绍 .52.2.1 TMS320LF2407 的性能特点 .52.2.2 A/D 转换原理 .72.2.3 TMS320LF2407 内部 A/D 转换模块概述 .72.2.4 事件管理器 .82.2.5 通用定时器 .82.2.6 全比较单元 .92.2.7 捕获单元和正交编码脉冲电路 .92.3 四相反应式步进电机 .102.3.1 步进电机的结构 .102.3.2 步进电机的工作原理 .112.4 四相反应式步进电机的数学模型 .122.4.1 电路方程 .122.4.2 机械方程 .122.5 驱动芯片结构与特点 .12第三章 详细设计 .143.1 系统硬件设计 .153.2 系统软件设计 .153.2.1 DSP 开发软件 CCS 介绍 .153.2.2 程序控制流程 .163.2.3 电机初始化程序 .163.2.4 电机控制程序 .173.3 程序调试 .19第四章 心得体会 .20参考文献 .21附录 .220第一章 绪论1.1 引言随着人们生活水平不断提高，对各种方便食品的需求也随之大增，这近一步拉动了我国食品包装业的快速发展。包装机是发展比较快的包装机械之一，拥有着广阔的发展前景。在制袋、充填、封口为一体的包装机中，要求包装用塑料薄膜定位定长供给，采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带，不仅结构得到了简化，而且调节极为方便，只要通过控制面板上的按钮就可以实现，这样既节省了调节时间，又节约了包装材料。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，从而使电机旋转。步进电机具有步进数可控、运行平稳、价格便宜的优点，在加速器控制系统中的应用很广。传统的步进电机一般可分为永磁式步进电动机(PM Step Motor)，反应式步进电动机(VR Step Motor)和混合式步进电动机(Hybrid Step Motor)三种。在数字化电机控制系统产生之前，要想获得高性能的步进电机驱动要么是采用昂贵、难维护的直流电机配便宜的控制装置，要么就是使用便宜的交流电机配昂贵、复杂的控制装置。基于 DSP 的数字化电机控制的出现改变了这一状况，由于 DSP 强大的运算能力，它可以实时地实现一些先进的控制算法，获得高性能的电机驱动控制。数字化电机控制的优点正是由于数字化的信号和信号处理所带来的，和模拟控制相比，它具有互联方便，稳定性好，便于大规模集成，可以构成复杂的系统，容易修改，便于测试、调试和大规模生产等优点。数字化电机控制技术包括两个组成部分，现代电机控制理论和数字信号处理，其中数字信号处理又包括数字信号处理技术和数字信号处理器技术。数字化电机控制的发展和这几个方面的进展是密不可分的。现代电机控制理论以矢量控制理论为代表，还有近年来得到快速发展的直接转矩控制理论等，这些高性能的控制方案需要进行大量的实时运算，用模拟器件的硬件方案来实现相当困难，难以实用化。只是在具有强大运算能力的控1制器如 DSP 等价格下降，性能提高之后，数字化的高性能控制方案才开始大量步入实用领域。1.2 数字信号处理器 DSP 发展和现状DSP 是 Digital Signal Processor 的缩写，DSP 在 70 年代末、80 年代初产生后起初并不显眼，主要应用于一些特定的数字信号处理密集的领域如军事的声纳和雷达、监测和监听设备，以及气象卫星、地震监测器等。虽受到个人计算机发展光辉的遮掩，它一直在幕后悄悄发展着。80 年代后期开发出较通用产品后，逐步进入各个领域。近年来，随着通讯领域的红火，个人计算机的普及以及家用电器的发展，DSP 更是从幕后走到了台前，各种应用如手机、MODEM、硬盘、声卡、显卡、DVD. VCD、可视电话、数字电视、数字相机、导弹、高保真音响、洗衣机、空调、语音识别、游戏等等数不胜数，大到上天入地，小到我们每个人的身边，现在是哪儿都有它的踪迹了。如果说 CPU 是 PC 时代的技术核心，则说 DSP 是后 PC 时代的技术核心毫不为过。由于具有超强的数字信号处理能力和合理的性价比，二十几年时间，DSP的发展日益迅猛，应用日益广泛。现在，DSP 已经成为计算机网络、无线通讯、信息家电、电子产品、图形处理、视频会议、数字音频广播等领域的核心。业内人士预言：DSP 将是未来发展最快的电子器件，是电子产品更新换代的决定性因素。DSP 芯片能够高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。目前，DSP 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的市场潜力。据世界半导体贸易统计组织（WSTS）发布的统计和预测报告显示：19962005 年，全球 DSP 市场一直保持稳步增长，2005 年增长率为35；另据 CCID 统计：2005 年中国 DSP 增长率超过 40%，销售量达到 13 亿块。据市场调查公司 ICE 统计，1998 年 DSP 市场达 33.4 亿美元，其中通信占48%，计算机/MODEM 占 30%，硬盘 12%，消费类产品 5%，军用航空航天 5%，典型应用产品和市场包括：电视会议、文件成像、可视电话、数字蜂窝电话、数字设备、电机调速等，一些家用电器如空调、洗衣机、电冰箱等为了节能和静2音也开始采用 DSP 控制。DSP 按数据格式分可分为定点 DSP 和浮点 DSP 两种，也可按用途分为通用型 DSP 和专用型 DSP，近年来德州仪器(TI)和美国模拟器件公司(Analog Device,简称 AD)都推出了专门针对电机控制领域的专用型 DSP 系列，TI 是TMS320-2XX 系列，AD 则是 ADMC 系列，这些芯片都是定点 DSP，具有普通定点DSP 的运算能力和单片机般的外围设备，使得它们成为用于数字化电机控制的最佳选择。当前，DSP 芯片还在快速发展中，它的处理速度正随着时间的前进而不断提高，从 1982 年的 5MIPS(每秒百万指令)到 1997 年的 100MIPS，再到现在的 2000MIPS(多 DSP 单一化)，预计 2007 年将达到 320000MIPS。DSP 的价格则正走着一条相反的道路，据 DSP 最大的生产厂家 TI 公司的历史价格统计，12年来每 MIPS 的价格己从 200 美元降到了一个美元，价格的下降导致应用领域的扩大，而应用的扩大也引起价格的下降，形成了一种良性的循环。技术的高速发展引发了信息产业革命，以计算机技术、通信技术为核心的信息技术正在以前所未有的速度改变着人们的生活和工作方式。数字信号处理是信息技术中的一个核心问题。实现数字信号处理的核心器件是数字信号处理器(以后简称为 DSP)。数字化电机控制包括电机模型的数字化和信号处理的数字化，而 DSP 的运算速度则是这样的实时一控制所必须的。为实现上述步进电机控制和交流电机控制融合的想法，由于其中有较多实时数学运算的要求，因此考虑使用德州仪器(TI) C2000 系列 DSP 中的 TMS320LF2407 来实现。1.3 课题背景及意义用 DSP 控制的步进电机不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了电机控制的精度和控制系统的智能化，从而逐步实现控制系统的嵌入式。基于 DSP 的步进电机控制技术在九十年代时期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域。数控机床、跟踪卫星用电经纬仪在采用了步进电机技术后，大大提高了控制与测量精度，这样就使步进电机伺服系统的应用前景更加广阔。DSP 控制器的技术水平主要体现在三个层面：硬件方案、核心控制算法以3及应用软件功能。国内步进电机控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，有的甚至更加先进。DSP 用于电机控制有很多好处：(1) 可执行高级运算，减少力矩纹波，从而实现低振动、长寿命；(2) 高级运算使谐波减小，很容易满足国家要求，同时降低滤波器成本；(3) 提供无传感器运算，省去位置和速度传感器：(4) 实时产生平滑的、近乎完美的参考模型，获得良好的控制性能；(5) 控制逆变器，产生高精度 PWM 输出；(6) 提供单片机控制系统。本课题的研究内容是使用 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320LF2407 控制步进电机，实现步进电机的驱动，构成控制系统。4第二章 总体方案设计2.1 设计方案本次设计是步进电机控制器系统，整个控制系统分为四个部分：DSP 中央控制器 TMS320LF2407、外接电位器、步进电机及其驱动。在本次设计中采用的电机是微型四相反应式步进电动机，其接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换为与之相对应的角位移。基于对低碳节能的考虑，在这里设计成一个单四拍信号来进行步进电动机的控制，通电顺序为 A-B-C-D-A，步距角为 15。驱动芯片采用的是 ULN2003 芯片，控制流程如下：首先由DSP 的 A/D 转换模块将电位器输出的模拟信号转换为数字信号，然后将该数字信号输入到 DSP 中以设定脉冲信号的间隔时间以便控制电机的转速，接着将由DSP 的四个 I/O 口提供脉冲信号给驱动芯片，脉冲信号经过驱动芯片的处理后用来驱动步进电机的四个相，从而达到控制电机运转的目的。在本次步进电机的控制系统中，由于步进电动机本身所拥有的精确定位特点我们采用开环控制系统。系统总体结构图如下所示：电位器A / D驱动芯片T M S 3 2 0 L F2 4 0 7 D S P步进电机图 2-1 系统总体结构图2.2 TMS320LF2407 DSP 芯片介绍2.2.1 TMS320LF2407 的性能特点TMS320LF2407 芯片是 Texas Instruments 公司生产的 16 位定点数字信号处理器 TMS320C2000 家族中的一种，是 TMS320X240X 系列 DSP 控制器中功能最强、片上设施最完备的一个型号。与其他 TMS320C2000 系列芯片相比具有以下5特点：1、采用高性能静态 CMOS 技术，使供电电压降为 3.3V，减小了控制器功耗；40MIPS 的最高指令执行速度使得指令周期为 33ns ( 30MHz )，从而提高了控制器的实时控制能力。2、基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 内核，保证了 TMS320LF2407 代码和 TMS320系列 DSP 代码兼容。3、片内有高达 32K 字 FLASH 程序存储器，高达 1.5K 字数据/程序 RAM， 544 字双口 RAM ( DARAM)和 2K 字单口 RAM ( SARAM ) 。4、两个事件管理模块 EVA 和 EVB，每个模块包括：两个 16 位通用定时器；8 个 16 位脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现： PWM 的对称和非对称波形；可编程 PWM 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16 通道 1