基于步进电机的DSP控制毕业论文.doc

1 绪 论1.1 选题背景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。随着计算机技术的发展，特别是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。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。与欧美发达国家相比，国内控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。以四相反应式步进电机为执行部件的控制系统是一个典型的机电一体化系统，它不仅具有开放性、灵活性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为机电一体化的实验平台，满足了现代运动控制技术研究和实验的需要。同时本系统也可以作为数控系统的开发工具。1.2 步进电机的发展及应用1.2.1 步进电机的发展 步进电机也称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Step motor或Stepping motor，Pulse motor,Stepper servo，Stepper等等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本身的发展和变化，传统电机之间分类的界面越来越模糊。步进电机的工作过程为，每输入一个脉冲信号，则改变一次励磁状态使转子转过一定角度，若没有脉冲信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。因此，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机。步进电机工作的机理是基于最基木的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的进行尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电机的研究及制造起始与上世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反应在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究也发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为产品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及其驱动电路作为产品被广泛使用。1.2.2 步进电机的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。由于其结构简单、价格低廉、定位方便、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点而广泛应用在各种自动化控制系统中。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要AD转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的经济型数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电机制造技术及电子技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1.3 课题研究内容本课题的研究内容是使用DSP控制步进电机，实现步进电机的驱动，构成控制系统。其主要内容是：1、了解DSP（Digital Signal Processor）和步进电机的组成和原理。2、完成DSP控制步进电机系统的软硬件设计，其中主要包括：（1) 设计DSP控制步进电机的硬件电路，并采用绘图软件完成电路图的绘制；（2) 采用C语言完成步进电机控制的软件设计；（3) 在CCS开发环境下完成步进电机控制的软硬件调试。 2 步进电机2.1 步进电动机的分类步进电机分为以下三大类：1、反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR) 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。2、永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM) 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)：但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。3、 混合式步进电机(Hybrid，简称HB) 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳，噪音低、低频振动小。混合式步进电机在某种程度上可以看作是低速同步电机。但混合式步进电机结构复杂成本较高。2.2 四相反应式步进电机的结构及工作原理2.2.1 步进电机的结构四相步进电机的基本机构如图2.1。四相步进电机在结构上分为转子和定子两部分。定子一般由硅钢片叠成，定子上所绕的线圈称为励磁线圈。对于如图2.1所示的绕线方式，A、A引线形成一相，B、B引线形成一相,C、C引线形成一相D、D引线形成一相。当给某相线圈通电时将形成8个磁极。这样，对于四相八级步进电机共有A、A，B、B，C、C和D、C四个绕组、8个磁极。每个定子磁极内表面都分布着小齿，它们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制作成的。其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式 （2.1）来计算。式中，Z为转子的齿数。 图2.1 四相步进电机步进示意图2.2.2 步进电机的工作原理在步进电机的结构中必定有错齿和对齿的存在如图2.2所示。我们把定子小齿和转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件。如果给处于错齿状态的相线圈通电，转子在电磁力的作用下，如果磁极相异，则转子向完全对齿方向转动，如果磁极性相同，则转子向完全错齿方向转动。假设将电机的转子置于线圈所产生的磁场中，便会受到磁场的作用而产生与磁场方向一致的力，转子便开始转动，直到转子的磁场和线圈的磁场方向一致为止。步进电机的转动就是基于这一原理实现的。定子小齿转子小齿 （a）对齿 （b）错齿图2.2定子齿与转子齿的磁导现象按如下四个步骤循环通电：(1) AA相通电，电流方向为AA；(2) BB相通电，电流方向为BB；(3) CC相通电，电流方向为CC；(4) DD相通电，屯流力向为DD。可以分析出，在每一次通电过程中，步进电机的转子均相对上次通电时的平衡位置顺时针旋转了一个位移角。对绕组通电一次的操作称为一拍，根据上面给出的算式每给电机一个脉冲，步进电机将转过15度，既转过一圈则需要，360/15=24个脉冲。2.3 步进电动机的工作方式四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。具体如下：2.3.1 单四拍工作方式四相步进电动机如果按照A-B-C-D-A循环通电工作，就称这种工作方式为单四拍工作方式，其中的“单”指的是每次对一个相的通电；“四拍”指的是磁场旋转一周需要换相四拍，以单四拍工作方式工作的步进电动机，其步距角按下式2.2计算。 (2.2)式中，N为步进电动机工作拍数，Z为转子的齿数。在用单四拍方式工作时，各相通电的波形如图2.3所示。其中电压波形是方波；而电流波形则是由两段指数曲线组成。这是因为受步进电机绕组电感的影响。当绕组通电时，电感阻止电流的快速变化；当绕组断电时，电感又阻止电流的突然变小。2.3.2 双四拍工作方式四相步进电机电动机各相除了采用单四拍方式通电外，还可以有其他种通电方式。双四拍就是其中之一。双四拍的工作方式是：每次对两相同时通电，既所谓的“双”；磁场旋转一周需要换相四次，既所谓的“四拍”。在双四拍工作方式中，步进电机正转的通电的顺序AB-BC-CD-DA-AB；反转的通电顺序为：BA-AD-DC-CB-BA。因为在双四拍的工作方式中电机每次转动的位移角是一样的所以它的步距角与单四拍时一样，仍然用式（2-1）求的。用双四拍方式运行时，各相通电的波形如图2.3所示。由图可见，每一拍中，都有两相通电，每一相通电时间都持续两拍。所以，双四拍通电的时间长，消耗的电功率大，当然获得的电磁矩也大，同时双四拍的工作方式还有一个优点，这就是不易产生失步。这是因为当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生的电磁力作用方向也不同。所以，其中一相产生的电磁力起了阻尼作用。绕组中电流也大，阻尼作用就越大。这有利于电机在低频区工作。而单四拍由于是单相通电励磁，不会产生阻尼作用，因此当工作在低频区时，由于通电时间长而使能量过大，易产生失步现象。2.3.3 八拍工作方式八拍工作方式是四相步进电机的另一种通电方式。这是单四拍与双四拍交替使用的一种方法，也称作单双八拍法。步进电机的正转通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A；反转通电顺序是A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A。可见磁场旋转一周；通电需要换相八次（既八拍），这是与单四拍和双四拍最大的区别。在这种方式工作下，电机的步距角要比单四拍和双四拍小一半，所以步进精度要提高一倍。八拍工作时，各相通电的电压波形如图2.3所示。可以看出，在使用八拍工作方式时，有的四拍是单相通电，有的四拍是双向通电。经过上面的介绍我们知道根据四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。其中单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.3 a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图2.3步进电机工作时序波形图2.3.4 三种工作方式的比较据上面的介绍和分析，三种通电方式的优缺点见下表2-1表2-1 三种工作方式的比较工作方式单四拍双四拍八拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡易较易不易功耗小大中2.4 步进电机的运行特征2.4.1 步进电机运行的矩角特性步进电机单步运行时的矩角特性如图2.4所示，从图中可以看出，假设负载转矩为T1，则改变通电状态时，电磁转矩的值大于负载转矩，从而使转子加速，朝+方向运动，达到新的平衡点处。如果开始负载转矩相当大，如图中T2，则改变通电状态时，由于新的矩角角特性曲线2上的点的电磁转矩的值小于负载转矩T2，因此转子不能向+方向新稳定点点运动，反而向-方向滑动。这就是说电机能带动的的最大转矩要比其最大静转矩小。曲线1和2的交点转矩丁Tq是步进电机的起动转矩。可见，在最大静转矩相同的条件下，步距角减小，曲线的交点T就较高，步进电机带载能力也相应增大。这也说明了八拍工作方式能很好的解决启动转矩问题和提到带载的能力。图2.4 单步运行步进电机的矩角特性2.4.2 步进电机的矩频特性图2.5步进电机的矩频特性步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即Tdm=F(f)称为矩频特性。步进电机的矩频特性如图2.5所示，从图中可以看出，步进电机的最大动态转矩将小于最大静转矩，并随转速的升高而下降。因为步进电机控制绕组中存在电感，相应地有一定的电气时间常数。所以控制绕组中电流增长也有一个过程。当频率高时，由于时间常数的存在，绕组中电流未达到稳态值时就下降了，这样电机的最大动态转矩小于最大静转矩，同时电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，最大动态转矩也减少。所以数控机床在高速定位运动时如加减速时间常数设得小，就会造成高频出力不足而出现闷车、丢步。由于绕组电感是随转子齿和定子齿相对位置变化而不断变化的，因此绕组产生的旋转电势，使得本来就不是理想方波的电流波形畸变，波顶下凹，如下图26所示，重载时则更明显。 电机不转 电机旋转 重负载图2.6 绕组旋转电势对电流波形的影响结果造成电流有效值下降并导致电机在低频段出力不足。另外，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，则将产生共振，在共振频率附近，动态误差最大，会导致步进电动机失步。步进电机都有低频共振现象，应当设法减弱振动并保证不失步。步进电机在正常运行时，振动的极限振幅是一个步距角。步距角小，振动也小。所以相数多的步进电动机或运行拍数多的不通电方式，振动不很明显，低频共振的危险小一些。2.4.3 步进电机的工作频率步进电机的工作频率是指电机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。通常分为起动频率、制动频率和连续工作频率。起动频率是指电机在一定负载下不失步地起动的最高频率。对同样的负载来说，正反向起动频率和制动频率都是一样的。起动频率的大小是由许多因素决定的，绕组的时间常越小，负载转矩和转动惯量越小，步距角越小，则起动频率越高。工作频率是指电机起动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。起动频率和工作频率都是衡量电机性能的一项重要技术参数。2.5 四相反应式步进电机的数学模型2.5.1 电路方程四相反应式步进电机一相之路的电动势平衡方程式为： （2.3）式中U为励磁绕组的外加电压；i为单条支路的绕组电流；R为单条支路的绕组电阻；为单条支路绕组的磁链，是绕组电流i和转子位置角e的函数。2.5.2 机械方程按照力学定律列出在电磁转矩作用下的转子（包括负载）的机械运动方程为： （2.4）式中：为转子位置角；J为电动机及负载的总转动惯量；D为粘滞摩擦系数；Tl为负载转矩。3 步进电机驱动器3.1 驱动芯片结构与特点本次设计采用的驱动芯片是ULN2003。它是高耐压、大电流达林顿陈列。由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高工作电流大灌电流可达500mA，并且能够在关断时承受50v的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP16或SOP16塑料封装。图3.1 ULN2003封装外形图图3.2 ULN2003内部结构图3.2 驱动芯片极限值 表3-1 ULN2003极限值（Tamb=25）参数名称符号数值单位输入电压30W输入电流25mA功耗1W工作环境温度-20to+85贮存温度-55to+1503.3 驱动芯片的电特性 表3-2 ULN2003电特性参数名称符号测试条件最小典型最大单位输出漏电流=50V,Tamb=2550A=50V,Tamb=70100饱和压降 Ic=100mA,Is=250A0.91.1VIc=200mA,Is=350A1.11.3Ic=350mA,Is=500A1.31.6输入电流=3.85V0.931.35mA=500A,Tamb=705065A输入电压=2.0V,=200mA2.4V=2.0V,=250mA2.7=2.0V,=300mA3.0输入电容1525pF上升时间0.5 Ein to 0.5 Eout0.251.0S下降时间0.5 Ein to 0.5 Eout0.251.0S钳位二极管漏电流=50V,Tamb=2550A=50V,Tamb=70100A钳位二极管正向压降=350mA1.72.0V4 DSP 2407的组成及原理4.1 DSP的发展DSP发展历程大致分为三个阶段：70年代理论先行，80年代产品普及，90年代突飞猛进。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到70年代才有人提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。随着大规模集成电路技术的发展，八十年代前后，陆续有公司设计出适合于DSP处理技术的处理器，于是DSP开始成为一种高性能处理器的名称。TI在1982年发表一款DSP处理器名为TMS32010，这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的DSP业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当努力使DSP处理器每MIPS成本也降到了适合于商用的低于$10美元范围时，DSP不仅在在军事，而且在工业和商业应用中不断获得成功。1991年TI推出的DSP批量单价首次低于$5美元而可与16 位 的微处理器相媲美，但所能提供的性能却是其5至10倍。 进入九十年代，有多家公司跻身于DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制DSP，称作cDSP。cDSP 基于内核 DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大大加速了产品的上市时间。同时TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。到九十年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。德州仪器通过不断革新，推陈出新，DSP业务也一跃成为TI的最大的业务，并始终处于全球DSP市场的领导地位。虽然这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围，但DSP所带动的市场规模巨大。 新世纪的DSP市场竞争加剧，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。 4.1.1 DSP的简介DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。现代DSP芯片作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件，通过可下载的软件或内部硬件来实现复杂的数字信号处理功能。DSP芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做出了较大的改进。其主要特点如下：1、特殊的总线结构DSP芯片采用哈佛结构或改进的哈佛结构，即程序和数据分开的总线结构，将程序和数据存储在不同存储空间。每个存储器独立编址，独立访问，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存储器在两个不同空间，因此取指和执行指令能完全同时运行。2、指令的流水线操作DSP执行一条指令通常需要经过取指、译码、取操作数和执行等儿个阶段。为了提高芯片计算速度，现代DSP芯片普遍采用流水线结构，将一个任务分解为若干个子任务，在任务连续执行过程中这些子任务可以相互重叠，以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。3、专用硬件乘法器在通用微处理器中乘法是由一系列加法指令来实现，而通过在DSP中设置专用硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，因此对于进行数字滤波、FIR，FFT等需要大量乘累加操作的运算显得十分方便。4、专用的寻址单元DSP芯片面向的是数据密集型应用场合，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算时间也线性增长。因此，现代DSP芯片内一般都有支持地址运算的算术单元地址产生器。地址产生器与算术逻辑单元并行工作，不会额外占用CPU计算时间。5、特殊的DSP指令DSP中对指令进行了特殊设计，可以实现一个指令周期完成多个操作。特殊的读写指令可以在一个指令周期完成两次读写。这样使得DSP源代码编译效率高，指令执行速度较快。6、快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用硬件乘法器和特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期轻易地做到5ns-50ns。7、强大的片内硬件配置DSP芯片内部除了DSP内核以外，一般还集成了一些其他功能外设，如通用串行口、主机接口(HPI)、事件管理器、CAN控制模块、锁相环电路、模数转换模块以及实现在线仿真符合IEEE 1149.1标准的JTAG测试仿真口等。4.1.2 DSP的应用领域语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。生物医学信号处理举例：CT：计算机X射线断层摄影装置。（其中发明头颅CT英国EMI公司的豪斯菲尔德获诺贝尔奖。）CAT:计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。4.2 TMS320LF2407的主要特点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10位A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和功率逆变器。5、可扩展外部存储器总共192K字空间：64K字程序存储空间；64K字数据存储空间；64K字I/O寻址空间。6、看门狗定时器模块(WDT )：可用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按照用户设定的时间间隔产生中断。如果软件执行进入一个不正确的循环或者CPU运行出现异常时，该模块可以实现系统复位，使系统进入预定状态。7、控制器局域网络(CAN) 2.0模块：CAN模块给用户提供了设计分布式或网络化运动控制系统接口。8、串行通信接口(SCI)模块：用于实现DSP与其他异步外设之间的串行通信，其接收器和发送器都是双缓冲的。9、16位串行外设(SPI)接口模块：用于DSP与外设或其他控制器进行串行通信，典型应用包括与数模转换器、LED显示驱动等器件的通信。此外，TMS320LF2407包含高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚和基于锁相环的时钟发生器。之所以称TMS320LF2407为电机控制专用芯片，主要原因在于该芯片内置有功能强大的事件管理器、PWM脉冲发生器和两路10位模数转换模块。有了事件管理器强大的实时处理功能和PWM控制波形发生器以及两路同时采样、保持、转换的高速A/D，TMS320LF2407几乎可以实现任何电机控制。4.3 A/D转换原理A/D转化电路亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制。通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度。压力。位移。图像等),要使计算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和bcd码的31/2位、51/2位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间330ns)、次超高速(3303.3s)、高速(转换时间3.3333s)、低速(转换时间330s)等。A/D转换器按照转换原理可分为直接a/d转换器和间接a/d转换器。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型a/d转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型(积分型)；电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型a/d转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D转换功能，使用十分方便。4.3.1 TMS320LF2407 内部A/D转换模块概述F2407的A/D转换模块（ADC）具有以下特性：1、带内置采样和保持（S/H）的10位ADC。2、多达16个模拟输入通道（ADCIN0-ADCIN15）。3、自动排序的能力。一次可执行最多16个通道的“自动转换”，而每次要转换的通道都可以通过编程来选择。4、两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可以独立工作在双排序器模式，或者级联之后工作在一个最多可选择16个模拟转换通道的排序器模式。5、在给定的排序方式下，4个排序控制器（CHSELSEQN）决定了模拟通道转换的顺序。6、可单独访问的16个结果转换器（RESULT0-RESULT15）用来储存转换结果。7、可有多个触发源启动A/D转换： 软件：软件立即启动（用SOC和SEQN）； EVA/B：事件管理器（在EVA/B中有多个事件源可以启动A/D）； 外部：ADC SOC引脚；8、灵活的中断控制，允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。9、排序器可工作在启动/停止模式，允许多个按时间排序的触发源同步转换。10、EVA和EVB可各自独立地触发SEQ1和SEQ2（仅用于双排序器模式）。11、采样和保持获取时间窗口有单独的预定标控制。12、内置校验模式。13、内置自测试模式。4.4 事件管理器在实际应用中，使用TMS320LF2407来构成运动控制系统的关键是该芯片具有一个事件管理器(Event Manager)专用外设模块。事件管理器是一个专门用于电动机控制的外设模块，主要由通用定时单元、比较单元、捕获单元、正交编码脉冲电路QEP和外部输入组成。4.4.1 通用定时器TMS320LF2407的每个事件管理模块有两个可编程通用定时器(GP)。每个GP定时器x( EVA，x=1，2；对EVB，x=3，4)包括：1、 一个16位定时器增/减计数的计数器TxCNT，可读写。2、 一个16位定时器比较寄存器(映射双缓冲寄存器)TxCMPR，可读写。3、 一个16位定时器周期寄存器(映射双缓冲寄存器)TxPR，可读写。4、 一个16位定时器控制寄存器TxCON可读写。5、 可选择的内部或外部输入时钟。6、 用于内部或外部时钟输入的可编程预定标器(Prescaler ) 。7、 控制和中断逻辑用于四个可屏蔽的中断：下溢、溢出、定时器比较和周期中断。8、 可选方向的输入引脚TMRDIR(当选择双向计数方式时，可以用来选择向上或向下计数)。在实际应用中，这些定时器能够产生系统所需要的计数信号、离散控制系统的采样周期、QEP电路、捕获单元和比较单元的时基等。为了适应不同应用的需要，每个通用定时器都有6种可选的计数模式，分别是：停止/保持模式；单增计数模式；连续增计数模式；定向增/减计数模式；连续增/减计数模式；单增/减计数模式。每个GP定时器都有一个比较寄存器和一个比较PWM输出引脚，通用定时器可以工作在比较操作模式或比较PWM输出模式。当工作在比较操作模式时，定时器的计数器值总是和相关的比较寄存器中的值相比较，当两者相等时就发生比较匹配事件。当工作在比较PWM模式时，其输出引脚的信号受通用定时器控制寄存器的定义、定时器所处的计数模式以及定时器的计数方向的影响。4.4.2 全比较单元事件管理器EVA模块中有三个全比较单元CMPx ( x=1，2，3 )；事件管理器EVB模块中同样有三个全比较单元CMPx ( x=4，5，6 )。每个比较单元都可以工作在比较模式或PWM模式下，可以通过COMCON中的位决定每个比较单元的工作模式。当比较模式被选中并且全比较操作被使能时，定时器的计数器就会不断地与全比较单元的比较寄存器中的值进行比较。当发生比较匹配时，全比较单元的输出引脚会根据ACTR中的定义产生合适的电平跳变，同时比较中断标志被置位。如果同组中没有其他更高优先级的中断挂起，该中断标志将向DSP内核发出中断请求。当工作在PWM模式下，全比较的操作类似于通用定时器的比较操作。4.4.3 捕获单元和正交编码脉冲电路捕获单元在TMS320LF2407的捕获引脚上出现跳变时被触发，事件管理器总共有6个捕获单元。当捕获引脚CAPx(对EVA， x=1，2，3：对EVB x=4，5，6)上检测到所选的跳变时，所选的GP定时器的计数值被捕获并存储在两级FIFO栈中。每个EV模块都有一个正交编码脉冲电路。该电路被使能后，可以在编码和计数引脚CAP I /QEP I和CAP2/QEP2(对于EVA模块)或CAP3lQEP3和CAP4/QEP4(对于EVB模块)上输入正交编码脉冲。正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率信息。此电路在处理电机测速光电编码器的输出信号时很有用，可以大大简化电机测速的软硬件开销，提高控制系统的测速精度与可靠性。如果使能了正交编码脉冲电路，则相应引脚上的捕获功能将被禁止。5 系统各模块电路设计5.1 系统流程设计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。控制系统如图5.1步进电机驱动芯片 电位器A/DTMS320LF2407 DSP 模拟量输入 数字量输入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，根据前面的讨论控制流程如下：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。5.2 DSP微处理器、外扩RAM以及外围电路的设计本次设计采用的TMS320LF2407A DSP微控制器共有144个引脚如图5.1，其内部功能结构包括：DSP内核、内部DRAM、内部SRAM、扩展存储器界面、事件管理器A、事件管理器B、JTAG接口、数字IO 口、10位AD模块、PLL时钟、FLASH ROM、CAN控制器模块、SCI中行通讯模块、SPI中行外设模块、看门狗模块。图5.1 2407 管脚图5.2.1 外扩存储芯片图5.2 外扩存储芯片图5.3 与门本次设计选用的RAM型号为 IS61LV6416，64K*16bit，DSP通电后外扩芯片的A0到A14为高电平。当DS为0时（低电平）时，外扩的芯片只有15个管脚启动其存储空间大小相当于-既0000H-7FFFH，而这段的存储空间用来存放数据，当DS为1时（高电平）时，外扩芯片的A16管脚启动，其增加的存储空间为-既8000H-FFFH这两段存储空间大小一致。启动扩展芯片我们需要一个与门如图5.3。DS与PS只要有一个为低电平则结果RAMCS为低电平从而启动扩展芯片。5.2.2 电源模块图5.4 供电电路本次设计所采用的开发板既可以使用独立的5V/1A开关电源供电，也可使用USB线直接供电，使用起来很方便。因为实验室PC机可以提供USB供电，所以为了便捷在设计中我们采用了USB线直接将开发板和PC机相连进行供电。5.2.3 复位电路图5.5 复位电路在本次设计中复位电路采用了专门的复位芯片SP708R，保证DSP芯片能可靠复位，并且提供手动复位按钮，方便在程序死机的情况下重新启动。需要复位时，按下按键（KEY1）一次，既给SP708R芯片一个脉冲即可。5.2.4 时钟电路本次设计我们采用20M的外部晶体给DSP提供时钟，并使能2407A片上PLL电路，见下图5.6。由PLL控制寄存器控制，可由软件动态的修改。TMS320LF2407的CPU最高可工作在40M的主频，也即是对20M输入频率进行2倍频。2倍频可以通过设置SCSR1(系统控制和状态寄存器)来实现。图5.6 时钟电路5.2.5 A/D电路图 5.7 AD转换电路TMSLF2407 DSP内置了16通道10位ADC如图5.7。在本次设计用的开发板上，通过运放隔离只扩展了2个通道，分别位于通道0和通道8，由于本次设计采用的是开环控制，所以只采用了通道0，DSP能接受的ADC输入电压为0-3.3V，由于在2407板上没有单独采用基准源所以直接使用系统的3.3V。板上所引的AD输入电压范围就为0-3.3V，在输入DSP前，已经采用了电压跟随器增加了阻抗。5.2.6 步进电机接口本次设计采用的驱动芯片是ULN2003，如下图5.8所示。它是高耐压、大电流达林顿陈列。由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关断时承受50v的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。图 5.8 电机驱动接口5.2.7 显示芯片本次设计采用的显示芯片是HD44780芯片，它是一种点阵字符型显示模块。见下图5.9。图 5.9 显示电路5.3 本章小结本章首先介绍了系统硬件的整体结构，包括主电路和控制电路。然后分别对系统的各个模块的设计进行了详细的阐述，包括DSP芯片、外扩存储芯片、供电电路、复位电路、时钟电路、AD转换电路、显示芯片电路和电机驱动接口电路。系统的完整电路图请见论文后面的附录D。6 系统软件设计上一章介绍了系统的硬件电路。由此可见整个系统是由多个模块组成的，为了能使各个模块正常的工作，需要给系统编制相应的程序。控制系统依靠程序的运行实现对步进电机的驱动，程序的合理性既可以有效的发挥并扩展硬件的功能，又可以完善硬件的性能。在进行软件设计时，主要考虑一下几个方面：1、 尽量采用结构化程序设计，功能程序实现模块化，便于调试，连接和移植修改；2、 合理利用系统资源；3、 提高软件的抗干扰能力。6.1 DSP软件开发的基础知识6.1.1 通用目标文件格式 TI公司的汇编器和链接器所创建的目标文件采用公共目标文件格式(Common ObjectFile Format，简称COFF )。采用这种目标文件格式更有利于模块化编程，并且为管理代码段和目标系统存储器提供更加灵活的方法。基于COFF格式编写汇编程序或者高级语一言程序时，不必为程序代码或变量指定目标地址，这为程序的编写和移植提供了极大的方便。下面简要说明这种文件格式。 COFF文件格式鼓励在编程时基于代码块和数据块的概念，而不是一条条命令或一个个数据，这使得程序的可读性和可移植性大大增强。在COFF中，这种块称为section，汇编器和链接器都提供了有关的命令来创建块和对块进行处理。块是COFF中的最小单位，一个块是最终在存储器映像中占据连续空间的一块代码或数据。一般COFF目标文件包含三种默认的块： . text块通常包含可执行的代码； . data块通常包含已经初始化的代码； . bss块通常为未初始化的数据保留空间。使用汇编语言程序虽然具有执行速度快的优点，但用汇编语言编写程序是比较费时费力的，为了提高程序开发的效率，同时是程序能和高级语言接轨。本次便利用在代码生成工具中，除了汇编器和链接器外，TI还提供的可将C语言程序编译为汇编语言程序的C编译器，来完成程序的编写。下面是C编译器的关键特性：1、支持ANSI标准C：TM320LF2407DSP的C编译器完全符合ANSI C标准。2、支持ANSI标准的运行时库：编译器为每种器件包含了一个完整的运