基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)

1、基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)1原文2010年 儀表技術(shù)與傳感器 2010第8期 InstrumentTechniqueandSensor No.8基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)張寶發(fā),趙輝,岳有軍(天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,天津 300384)摘要:根據(jù)步進(jìn)電機(jī)原理及DSP控制方法,進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),同時(shí)介紹了與上位工業(yè)控制機(jī)的通信。DSP采用TMS320LF2407A,它控制機(jī)床的切(削)刀在X,Y兩方向上移動(dòng)。此位置控制系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制方式,在硬件上DSP通過(guò)PCI總線接口芯片CH 365和8255通用芯片與PC機(jī)進(jìn)行通信,在DSP與步進(jìn)電機(jī)間選用脈沖分配和驅(qū)動(dòng)

2、電路芯片UCN 5804B。在軟件上給出了步進(jìn)電機(jī)位置控制和加減速控制的程序流程圖。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);數(shù)字信號(hào)處理器;工控機(jī);PCI總線中圖分類(lèi)號(hào):TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002- 1841(2010)08- 006Designing of Stepper Motor Control System Based on DSPZHANG Bao-fa,ZHAO Hui,YUEYou-jun(TianjinUniversityofTechnology,SchoolofElectricalEngineering,Tianjin 300384,China)Abs

3、tract:AccordingtotheprincipleofsteppermotorandDSPcontrollingmethod,thispaperdespgnedthehardwareandsoft-wareofsteppermotorcontrolsystem.DSP(TMS320LF2407A)controlsmachinetooltomoveinXandYdirections.Thispositioncontrolsystemusestheopen-loopcontrolmode,theDSPhardwarecommunicatewithPCthroughthePCIbusinte

4、rfacechipCH365andthe8255universalchip,andcommunicatewithsteppermotorthroughpulsedistributionanddrivecircuitchipUCN5804B.Indesigningthesoftware,programflowchartsforpositioningandacceleration/decelerationisgiven.Thisdesigncabeappliedtosmalleconomicmachinesforcuttingorcarving.Keywords:steppermotor;DSP;

5、industrialPC;PCIbus0 引言隨著微型計(jì)算機(jī)和大功率電子元件的迅速發(fā)展,很多傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)已讓位于微機(jī)控制技術(shù)。眾多電機(jī)通過(guò)微機(jī)進(jìn)行控制,提高了運(yùn)行性能,在機(jī)電一體化及工業(yè)自動(dòng)化控制方面取得令人矚目的成果。通過(guò)微機(jī)控制,可使電機(jī)的性能有很大的提高1。目前,微機(jī)控制廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過(guò)程中一種能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件,其功能是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移。開(kāi)環(huán)條件下,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的定位,而且能夠自鎖。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器

6、人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域,尤其是在強(qiáng)調(diào)速度控制、位置控制的伺服系統(tǒng),例如數(shù)控設(shè)備中的刀具快速定位以及輪廓的定位跟蹤系統(tǒng)2 為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制,較多采用的一種方案是以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器,通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù),實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位。但是,這種方案中微處理器所需的周邊器件較多,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性有較大影響,同時(shí)在某些控制場(chǎng)合,其程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制性的一個(gè)瓶頸3。為了提高性能,在先進(jìn)的數(shù)控伺服系統(tǒng)中,已采用高速。數(shù)字信號(hào)處理芯片,DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器。芯片一般均采用特殊的軟、硬件結(jié)構(gòu)

7、,其內(nèi)部的程序空間和數(shù)據(jù)空間分開(kāi),可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù),并且擁有快速的中斷處理和硬件I/O支持,具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器,可以并行執(zhí)行多個(gè)操作,片內(nèi)具有快速RAM,通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在不同數(shù)據(jù)塊中同時(shí)訪問(wèn)。同工業(yè)自動(dòng)化控制中常用的8位或16位單片機(jī)相比,DSP芯片具有更適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源,可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。TMS320LF2407A是TI(德州儀器)公司生產(chǎn)的是適用于工控領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款工控型DSP芯片,集成數(shù)字I/O、EV、ADC、SPI、SCI、CAN控制器等豐富的控制資源,這些豐富的片上資源使得它在工業(yè)控制中尤其是在電機(jī)控制應(yīng)用中比傳

8、統(tǒng)的單片機(jī)有著無(wú)以倫比的優(yōu)勢(shì)。1 總體方案系統(tǒng)是面向數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),為達(dá)到實(shí)時(shí)性控制要求,X向位置和Y向位置均由DSP進(jìn)行控制,而用戶面向的上位機(jī)是工業(yè)控制機(jī)(或PC機(jī)),DSP通過(guò)PCI總線與主機(jī)通信。此位置伺服控制采用開(kāi)環(huán)控制方式,用戶在工控機(jī)上進(jìn)行指令操縱,并監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行過(guò)程,進(jìn)行工作的其他功率電機(jī)可另行手動(dòng)調(diào)速控制?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。2 硬件設(shè)計(jì)2.1 硬件結(jié)構(gòu)組成 PCI總線協(xié)議復(fù)雜,設(shè)計(jì)PCI控制接口難度較大,采用專(zhuān)用接口器件雖沒(méi)有可編程邏輯器件那么靈活,但能夠有效降低接口設(shè)計(jì)難度,縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。而通用PCI接口芯片功能全而強(qiáng)大,具有較低的成本和通用性,只需使用

9、地址線、數(shù)據(jù)線以及少數(shù)幾個(gè)讀寫(xiě)控制信號(hào),就能實(shí)現(xiàn)PCI總線與PCI設(shè)備之間的連接,類(lèi)似ISA接口那么簡(jiǎn)單方便。該設(shè)計(jì)選用PCI總線接口芯片CH 365,它是用于低成本的計(jì)算機(jī)板卡,也用于高速實(shí)時(shí)的I/O通信4。CH 365與2407A之間通過(guò)8255進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,連接如圖2所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置,當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng),每給它一個(gè)脈沖信號(hào),它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比,在時(shí)間上與輸入脈沖同步,因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序,便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)

10、有脈沖輸入時(shí),在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角按下式計(jì)算5:式中:Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù);N為拍數(shù),N=K·m;m為電動(dòng)機(jī)相數(shù);K= 1(單拍或雙拍),K= 2(單雙拍)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算:當(dāng)工作方式確定后,調(diào)整脈沖的頻率f就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。MS320LF2407A事件管理器A、B分別控制2臺(tái)步進(jìn)電機(jī),在2407A與步進(jìn)電機(jī)間選用脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路芯片UCN 5804B1,6,并以四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例,將UCN 5804B置成單雙八拍工作方式。硬件連接如圖3所示2.2 PW M控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速原理MS320LF2407A集成

11、了通用定時(shí)器和脈寬調(diào)制輸出通道,并提供使用定時(shí)器周期寄存器的周期值和比較寄存器的比較值來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生PWM波的方法。周期值用于產(chǎn)生PWM波的頻率(或周期),比較值用于產(chǎn)生PWM波的脈寬,比較值小于周期值。根據(jù)比較寄存器的不同,PWM波有2個(gè)來(lái)源:(1) 利用定時(shí)器、定時(shí)器周期寄存器和比較寄存器作用輸出PWM波(2) 使用比較單元的比較寄存器。 6個(gè)比較單元,每個(gè)比較單元各輸出2個(gè)可帶死區(qū)的PWM波.如果把PWM波上升沿(或下降沿)作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖(稱PWM脈沖),則通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM波的頻率(或周期)以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。步進(jìn)電機(jī)在每個(gè)PWM脈沖下轉(zhuǎn)動(dòng)1步,轉(zhuǎn)動(dòng)角度為1個(gè)步距角b.

12、當(dāng)DSP產(chǎn)生k個(gè)PWM脈沖時(shí),步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為式中:k/t的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù),即脈沖頻率。由上式可計(jì)算出PWM脈沖頻率,按此頻率設(shè)置定時(shí)器周期值和比較寄存器比較值,DSP事件管理器依周期值和比較值輸出上述頻率的PWM波。在變速控制中,角速度隨時(shí)間變化。要求DSP程序?qū)崟r(shí)改變定時(shí)器周期值,使PWM脈沖頻率隨時(shí)間變化以實(shí)現(xiàn)變速控制。PWM脈沖頻率控制精度高,則步進(jìn)電機(jī)速度控制精度也高.3 軟件設(shè)計(jì)3.1 步進(jìn)電機(jī)位置控制步進(jìn)電機(jī)的位置控制指控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確運(yùn)行到另一個(gè)位置,步進(jìn)電機(jī)的位置控制是它的一大優(yōu)點(diǎn),它可以不用借助位置傳感器而只

13、需簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制需要2個(gè)參數(shù):絕對(duì)位置(執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置)是有極限的,其極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍;相對(duì)位置(移動(dòng)到目標(biāo)的距離)將被折算成電機(jī)步數(shù).位置控制的一般做法是:步進(jìn)電機(jī)每走1步,步數(shù)減1,如果沒(méi)失步存在,當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)時(shí),步數(shù)正好為0。絕對(duì)位置可作為人機(jī)對(duì)話的顯示參數(shù),它與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān),當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),每走一步絕對(duì)位置加1,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),每走一步覺(jué)得位置減1。位置控制子程序流程圖如圖4所示。3.2 步進(jìn)電機(jī)加減速控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中要經(jīng)歷加速、減速過(guò)程。如果啟動(dòng)時(shí)一次將速度升到給定速度,由于啟動(dòng)頻率超過(guò)極限啟動(dòng)頻率就要發(fā)

14、生失步現(xiàn)象。如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái),由于慣性作用,電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象,造成位置精度降低。如果非常慢地加減速,電動(dòng)機(jī)雖然不會(huì)產(chǎn)生失步和過(guò)沖現(xiàn)象,但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。為了滿足加、減速要求,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行通常按照加、減速曲線進(jìn)行。加、減速運(yùn)行曲線沒(méi)有一個(gè)固定的模式,一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)得到。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制就是控制步進(jìn)電機(jī)去拖動(dòng)給定的負(fù)載,通過(guò)加速、恒速、減速過(guò)程,從一個(gè)位置運(yùn)行到另一個(gè)位置。這就有2個(gè)要求:總步數(shù)要符合給定值;總的走步時(shí)間要盡量短5。加減速規(guī)律一般選擇按指數(shù)規(guī)律,也就是升速開(kāi)始時(shí)先采用大一點(diǎn)的加速度,隨著轉(zhuǎn)速的升高,加速度逐漸減小;減速時(shí)則是高速段減速度小一些,低速段減

15、速度大一些,這樣符合步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而減小的狀況。用DSP對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制實(shí)際上就是控制每次換相的時(shí)間間隔。升速時(shí),使脈沖串逐漸加密,減速時(shí)則相反,即不斷改變定時(shí)器的裝載值。實(shí)際編程時(shí)使用離散化的指數(shù)加減速曲線,那么在每一速度級(jí)上速度保持的時(shí)間不一樣長(zhǎng)。為簡(jiǎn)化程序,用速度級(jí)數(shù)N與一個(gè)常數(shù)C的乘積表示,速度每升一級(jí),步進(jìn)電機(jī)都要在該速度級(jí)上走NC步?？稍O(shè)速度級(jí)差為10個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)鐘,具體據(jù)實(shí)際應(yīng)用而調(diào)整1。根據(jù)此規(guī)律,設(shè)計(jì)加減速子程序流程圖如圖5所示。3.3 PCI總線編程對(duì)于上位機(jī)上的控制界面的設(shè)計(jì)可以采用多種語(yǔ)言,VisualBasic,VisualC+ +,Delph

16、i等語(yǔ)言。界面的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,比較復(fù)雜的是將X,Y位置實(shí)時(shí)顯示在屏幕并根據(jù)工人設(shè)定的曲線移動(dòng),便于顯示工作進(jìn)度,這些用到計(jì)算機(jī)的圖形處理和操作9。界面程序中與PCI總線接口的數(shù)據(jù)傳輸程序根據(jù)CH 365和8255硬件的特性進(jìn)行編程。4結(jié)束語(yǔ)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)原理及DSP控制方法,進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),同時(shí)介紹了與工控機(jī)用戶界面的通信。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)脈沖分配,采用了硬件實(shí)現(xiàn)的方法,并對(duì)步此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)系統(tǒng)選用器件少,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(2)整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。(3)DSP的中斷處理速度高,計(jì)算速度快,DSP作為嵌入式微處理器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,應(yīng)用了其功能強(qiáng)大的事件

17、管理器。對(duì)于DSP與工控機(jī)的通信,采用PCI接口編程實(shí)現(xiàn),也可采用其他方式,如串、并口通信。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床,如石材切削或雕刻等,由于面向的Windows界面設(shè)計(jì),相對(duì)于目前使用DOS操作界面的此類(lèi)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō),工人的操作將得簡(jiǎn)單易行。參考文獻(xiàn): 1王曉明,王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制.北京:北京航空航天出版社,2004. 2萬(wàn)達(dá)淳,代作曉,華建文.基于DSP的多路四相步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).科學(xué)技術(shù)與工程,2008,4(8):1994- 1997. 3李峻,李學(xué)全,胡德金.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用.微特電機(jī),2000,2(4):37- 39. 4尹勇,李宇.PCI總線開(kāi)發(fā)寶典

18、.北京:北京航空航天出版社,2005. 5李仁定.電機(jī)的微機(jī)控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.10. 6譚建成.新編電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路與應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 7何平,李岳,徐小軍.基于DSP的步進(jìn)電機(jī)高精度變速控制研究.自動(dòng)測(cè)量與控制,2007,11(26):86- 89. 8袁麗娟,王應(yīng)海,朱力軍.SM 8954A單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)升降速控制中的應(yīng)用.電子技術(shù),2008(6):50- 51. 9熊遠(yuǎn)生,錢(qián)蘇翔,高金鳳.基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信設(shè)計(jì).機(jī)電工程,2004,9(21):17- 21.作者簡(jiǎn)介:張寶發(fā)(1976),碩士研究生,研究領(lǐng)域?yàn)榭刂?/p>

19、理論與控制工程。E-mail:cepgei2009 2該設(shè)計(jì)的不足 首先它的DSP中央控制器TMS32LF2407與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之間只有驅(qū)動(dòng)電路,功能較少,只能簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī).其次,該電動(dòng)機(jī)的控制方式采用開(kāi)環(huán)控制方式,由于開(kāi)環(huán)控制控制沒(méi)有反饋回路，控制精度較低，輸出一旦偏離設(shè)定值無(wú)法自行矯正。而且開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有轉(zhuǎn)速信號(hào),沒(méi)有辦法對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(位置)進(jìn)行采樣檢測(cè).最后該設(shè)計(jì)沒(méi)有可以明顯顯示變量,參數(shù)的液晶顯示屏,無(wú)法讓人清晰知道在步進(jìn)電機(jī)工作時(shí),各種變量,參數(shù)的變化.3對(duì)該設(shè)計(jì)的改進(jìn) 針對(duì)以上問(wèn)題,我做出了如下改進(jìn),首先我增加了鍵盤(pán)和液晶顯示部分, 其中鍵盤(pán)設(shè)定給定轉(zhuǎn)速( 位置), 通過(guò)

20、中央控制器 TMS320LF2407 來(lái)產(chǎn)生 PWM 脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(位置), 液晶顯示可以直觀反映在該系統(tǒng)工作過(guò)程中的多個(gè)變量、參數(shù)的變化。其次增加了廣電編碼部分,它可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速( 位置) 進(jìn)行采樣檢測(cè)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.其中閉環(huán)控制有反饋電路,它可以從輸出取出一個(gè)信號(hào)送回到控制端，看看輸出是不是滿足我們的需要，如果偏離了預(yù)期的設(shè)定范圍，那么就可以在控制端進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，就是說(shuō)在控制端，做出相應(yīng)的變化從而達(dá)到控制輸出的變化，然后達(dá)到矯正輸出恢復(fù)設(shè)定范圍的目的.最后我還增加了外圍電路和看門(mén)狗復(fù)位電路,可以保證DSP芯片可以獨(dú)立使用開(kāi)關(guān)電源和可靠復(fù)位.具體方案如下。4硬件設(shè)計(jì)4.

21、1總體方框圖 整 個(gè) 系 統(tǒng) 分 為 八個(gè) 部 分 組 成 :如圖 1 所示,在這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 由鍵盤(pán)設(shè)定給定轉(zhuǎn)速( 位置) , 通過(guò)中央控制器 TMS320LF2407 來(lái)產(chǎn)生 PWM 脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(位置), 可以采用光電編碼器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速( 位置) 進(jìn)行采樣檢測(cè)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制, 也可以采用開(kāi)環(huán)控制無(wú)需轉(zhuǎn)速( 位置) 信號(hào), 以上過(guò)程中的多個(gè)變量、參數(shù)可以在液晶顯示屏上得到直觀地反映。整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀, 中央控制器 TMS320LF2407 還剩余豐富的 I/O 及中斷資源, 在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上具有一定的擴(kuò)展空間。圖1 硬件原理方框圖4.2驅(qū)動(dòng)電路方框圖步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

22、的主要組成單元如圖2 所示。它的基本組成有脈沖發(fā)生器、信號(hào)放大電路、環(huán)形分配器、推動(dòng)級(jí)(進(jìn)一步放大)、功率驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路(如過(guò)流保護(hù)等)等組成。脈沖發(fā)生器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，然后環(huán)形分配器來(lái)決定驅(qū)動(dòng)器如何控制電機(jī)繞組的截止和導(dǎo)通，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。信號(hào)放大處理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生具有斬波等特性的控制信號(hào)。推動(dòng)級(jí)的主要作用是放大較小的信號(hào)，使其能夠推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)電路。保護(hù)電路主要是保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路防止其因?yàn)闇囟冗^(guò)高，電流過(guò)大等原因而不能正常工作。圖2 驅(qū)動(dòng)電路方框圖4.3液晶顯示電路原理圖本設(shè)計(jì)采用的芯片是HD44780芯片,它是一種點(diǎn)陣字符型顯示模塊. 可以顯示字符、數(shù)字, 還可以

23、顯示各種圖形、曲線和漢字,并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫(huà)、閃爍、文本顯示等功能, 功耗小、體積小、質(zhì)量輕、超 薄 等 諸多 其 它 顯示 器 無(wú) 法比 擬 的 優(yōu)點(diǎn), 用途十分廣泛，其電路圖如圖3所示圖3 液晶顯示電路原理圖4.4電源模塊原理圖本設(shè)計(jì)采用的開(kāi)發(fā)板，既可以使用獨(dú)立的5V/1A開(kāi)關(guān)電源,也可以使用USB線直接供電,使用起來(lái)很方便.因?yàn)镻C機(jī)可以提供USB供電,所以為了便捷,在設(shè)計(jì)中我采用了USB線直接將開(kāi)發(fā)板和PC機(jī)相連進(jìn)行供電.其電路圖如圖4所示。圖4 電源模塊原理圖45復(fù)位電路原理圖在本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用了專(zhuān)門(mén)的復(fù)位芯片SP708R,保證DSP芯片能可靠復(fù)位,并且提供手動(dòng)復(fù)

24、位按鈕,方便在程序死機(jī)的情況下重新啟動(dòng).需要復(fù)位時(shí),按下按鍵(KEY1)一次,既給SP708R芯片一個(gè)脈沖即可.如圖5所示。圖5 復(fù)位電路原理圖5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中,共包含主程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序按鍵掃描中斷程序、編碼器檢測(cè)換算程序等程序塊。下面著重介紹一下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、編碼器檢測(cè)換算程序及主程序。5.1驅(qū)動(dòng)程序在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中, 充分運(yùn)用 TMS320LF2407 控制器的事件管理模塊。在 TMS320LF2407 中各有一個(gè) 16 位比較存器 CMPRx( x=4、5、6) , 每個(gè)比較器各有兩個(gè)比較 PWM 輸出引腳, 產(chǎn)生 3 路 PWM 輸出信

25、號(hào), 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速( 位置) , 其輸出引腳極性將由控制寄存器( ACTR) 的控制位來(lái)決定, 根據(jù)需要選擇高電平或低電平作為開(kāi)通信號(hào)。在 PWM 信號(hào)調(diào)制中需要周期一定的載波, 這時(shí)用到了定時(shí)器 3, 它以內(nèi)部 CPU 時(shí)鐘作為輸入, 工作于連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式下,產(chǎn)生 PWM 脈沖輸出, 產(chǎn)生的脈沖為一個(gè)環(huán)形可變脈沖, 這時(shí)由 T3PR 定時(shí)周期下溢和上溢時(shí)產(chǎn)生中斷, 刷新周期值, 進(jìn)行 PWM 調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率 f 的關(guān)系： n=轉(zhuǎn)速f=電脈沖頻率=步距角, 在此設(shè)計(jì)中采用的是三相六拍制步距角為 把代入式中, 化簡(jiǎn)后得到n=f/4 由電脈沖頻率 f 與 PWM 計(jì)數(shù)值之間的關(guān)系如下f=7.5*106HZ/64y y=PWM 計(jì)數(shù)值7.5*106HZ=TMS320LF2407 時(shí)鐘頻率64=T3 定時(shí)器分頻系統(tǒng)和式合化簡(jiǎn)后得到:y=29297/n 最后, 此設(shè)計(jì)中把給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼, 用29297 除以給定轉(zhuǎn)速即得到 PWM 基數(shù), 所得到的 PWM 數(shù)值再乘以 3 得到定時(shí)器 3 的 T3PR的周期值, 對(duì)應(yīng)不同頻率的 PWM脈沖輸出, 如圖 6所示。圖6 電機(jī)運(yùn)行中斷流程圖5.2主程序流程圖程序運(yùn)行開(kāi)始后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化內(nèi)容包括:將DSP的IOPE0到