dsp和pbl3717a构成的步进电机的控制系统

DSP和 PBL3717A构成的步进电机的控制系统 作者：郭 成 等 日期：2004-11-20 15:33:15关键字：|PBL3717A DSP 步进电机 控制系统|摘要：介绍由美国 TI公司的数字信号处理器 TMS320LF2407A和 SGS公司的步进电机驱动芯片 PBL3717A构成的两相混合式步进电机的控制系统。 关键词：PBL3717A DSP 步进电机 控制系统引言步进电机是数字控制系统中的一种重要执行元件，广泛应用于各种控制系统中。它是一种将电脉冲信号转换为位移或转速的控制电机，输入一个脉冲信号，电机就转动一个角度或前进一步。其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例，可以通过改变脉冲频率在大范围内调速，易于与计算机或其它数字元件接口，适用于数字控制系统。随着超大规模集成电路技术的迅速发展，DSP（Digital Signal Processor 数字信号处理器）的性能价格比得到很大提高，使得 DSP在电机控制领域的应用愈来愈广泛。本文介绍由美国 TI公司的数字信号处理器 TMS320LF2407和 SGS公司的步进电机驱动芯片 PBL3717A构成的两相混合式步进电机的控制系统。1 DSP性能简介美国 TI公司的 TMS320LF2407A是专为马达控制而设计的一款 DSP。它采用高性能静态 CMOS技术，使得供电电压降为 3.3V，减少了控制器的功耗；40MIPS 的执行速度使指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。两个事件管理器模块 EVA和 EVB，每个包括：2个 16位通用定时器；CAN 总线接口模块；16 位的串行外设（SPI）接口模块；基于锁相环的时钟发生器；内置正交编码脉冲（QEP）电路；3 个捕获单元；16 通道 A/D转换器；8 个 16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现：三相反相器控制；PWM 的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时，快速关闭 PWM通道；可编程的 PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电阻、步进电阻、多级电机和逆变器。2 PBL3717A原理与步距控制方法2.1 PBL3717A的原理简介PBL3717A是 SGS公司设计生产的步进电动机单相绕组的驱动电路，内部采用的是 H-桥脉宽调制电路。利用外部逻辑电路构成的逻辑分配器或微处理器分配信号，由若干片这种电路和少量无源元件可组成一个完整的多相步进电动机驱动程序，可实现整步（基本步距）、半步或微步距控制。控制方式是双极性、固定 OFF（关断）时间的斩波电流控制。下面简要介绍一下 PBL3717A的各引脚功能。如图 1所示，它采用 16脚双列直插塑料封装。1 脚（OUTPUT B）和 15脚（OUTPUT A）为输出端，分别接一相绕组线圈的两端；2 脚（PULSE TIME）外接 RC定时元件；3、14 脚（Vs）是绕组线圈供电电源，可在 1046V 的范围内选择；4、5、12、13 脚（GND）接地端，可接至热片；6 脚（Vss）是 IC供电电源接+5V；7、9 脚（INPUT 1，INPUT 0）用于选择绕组线圈电流；8 脚（Phase）为相位输入端，用于控制转动方向；16 脚（Sense Resistor）外部绕组电流采样电阻，采样信号通过 RC低通滤波器送至 10脚（Comparator Input），与内部电压比较器的基准电压进行比较；11 脚（Reference）外接参考电压，改变 Reference可实现微步距控制，例如用 1片单片机和 2片 DAC0808 8bit D/A转换电路即可实现 256细分控制。在整步、半步、1/4 步工作方式下，REFERENCE 接固定的+5V，本文仅讨论这种情况。2.2 PBL3717A的步距控制方法本文所设计的是两修配混合式步进电机的控制系统，具体驱动电路如图 2所示。其中，PHASE、INPUT 1、INPUT 0（图中简写为 PH、I1、I0）为输入端，OUTPUT A、OUTPUT B（图中以MA、MB 表示）为输出端。因为本文不考虑细分的情况，所以可以把图中的 DAC（11 引脚）直接接+5V 电源。PHASE的作用是控制步进电动机定子绕组中电流的方向。当 PHASE=0时，电流从 MB流向MA；当 PHASE=1时，电流从 MA流向 MB。PBL3717A 对步距的控制是通过选择 I1、I0 的不同组合，从而控制绕组电流，达到步距控制的目的。电流的具体数值由 VR、RS 决定。计算公式如下：Im=(Vr*0.083)/RsA,100%级别；Im=(Vr*0.050)/RsA,60%级别；Im=(VR*0.016)/RsA,20%级别。PBL3717A能实现三种运行方式。在以下讨论中，以 A、B 表示二相绕组正向电流工作，以A、B 表示二相绕组反向电流工作。（1）基本步距（整步）工作方式可用二相激励四拍方式，即ABABABAB 实现，也可用单相激励四拍方式，即 ABAB 实现。（2）半步距工作方式半步距方式采用二相，单相交替激励的二相八拍方式，即ABBABAABBABA，这种工作方式是两相激励和单相激励交替出现，每一找不到的转距不相等。在二相激励时的转距是单相的 1.4倍，这是因为二相激励时的转距是单相激励时转距的矢量合成。如果两相激励时，采用 I1I0=01方式，使电流降到 60%，由于磁路原先有饱和效应，此时每相转距可能增大到 70%左右，两相合成的转距接近于 1。这样电机就可以近似实现恒转距运行。图 3示出了在第一象限的转矩矢量图。（3）1/4 步距工作方式为了实现 1/4步距工作方式，要在整步与半步间插入一个 1/4步的状态（如图 3）。例如上方的 1/4步状态，A 相绕组取 100%电流，B 相绕组取 20%电流。在第一象限由半步 A状态到半步 B状态要经过 4步，即 AA0.2BAB0.2ABB。知道第一象限的矢量图不难推出其它三个象限的矢量图，一个循环需 6步完成，即AB0.2ABB0.2ABABA0.2BAA0.2BAB0.2ABB0.2ABABA0.2BAA0.2B，其中 0.2A、0.2B 分别表示 A相、B 相绕组取 20%电流。3 硬件部分因为 DSP采用 3.3V供电，而 PBL3717A的工作电压是+5V，所以要考虑 3.3V和 5V的电平转换问题。如图 4所示，为 5V CMOS，5V TTL 和 3.3V TTL电平的转换标准。其中，VOH 表示输出高电平的最低电平，VIH 表示输入高电平的最低电平，VIL 表示输入低电平的最高电压，VOL 输出低电平的最高电压。从图中可以看出 5V CMOS和 3.3V TTL的电平转换标准不同，因此，3.3V器件（LVC）引脚不能直接与 5V CMOS器件引脚相连接。在这种情况下，可以采用双电压（一边是 3.3V供电，另一边是 5V供电）供电的驱动器，如 TI公司的 SN74ALVC164245，SN74LV4245 等。而 5V TTL和 3.3V TTL的电平转换标准相同，所以它们可以直接相连。因为 PBL3717A是 TTL兼容电路，所以可以直接将 DSP的 I/O口和 PBL3717的相应引脚相连。在这里，我们选 DSP的端口B中的 IOPB0，IOPB1，IOPB2，IOPB3，IOPB4，IOPB4 分别与 PBL3717A的I1B，I0B，I1A，I0A，PhaseA,PhaseB 相连接（见图 5）。4 软件部分本文以步进电机工作在 1/4步为例设计 DSP控制软件。DSP 控制软件采用 C语言编写。从第一拍到第十六拍的控制字分别为：0x0000、0x0004、0x000c、0x0014、0x0010、0x0011、0x0013、0x0031、0x0030、0x0034、0x003C、0x0024、0x0020、0x0021、0x0023、0x0001。将以上数值存放到数组 Run_Table中，可通过循环程序调用数组中的相应值赋给端口 B的数据和方向控制寄存器 PBDATDIR，从而通过 DSP的端口 B来驱动控制 PBL3717A的相应引脚来实现步进电机旋转运行。通过修改 run_delay(int count)延时子程序的 count的值可改变电机的运转速度。下面给出了两相步进电机 1/4步方式下正转的控制程序清单。/*Filename:Step.c*/*IOPB0=I1B,IOPB1=I0B,IOPB2=I1A,IOPB3=10A,IOPB4=PhaseA,IOPB5=PhaseB*/#include “f2407_c.h“static int Run_Table=0x0000,0x0004,0x000C,0x0014,0x0010,0x0011,0x0013,0x0031,0x0030,0x0034,0x003C,0x0024,0x0020,0x0021,0x0023,0x0001;void main()int i