基于DSP的噴碼機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、收稿日期:2008-04-30作者簡介:姜昌明(1968 , 男, 遼寧人, 工程師, 主要從事機電一體化設(shè)備儀器技術(shù)研究; 丁明健(1983 , 男, 碩士研究生; 王磊(1961 , 男, 陜西人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向為自動控制技術(shù), 檢測技術(shù), 博弈論與行為預(yù)測技術(shù)?；贒SP 的噴碼機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計姜昌明, 丁明健, 王磊(同濟大學(xué)中德學(xué)院, 上海200092摘要:介紹了基于數(shù)字信號處理器的噴碼機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)以TI 公司的運動控制芯片T M S320F2812和功率驅(qū)動芯片L297、L298為核心, 實現(xiàn)了步進電機的精確控制, 具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、

2、控制精度高, 最后詳細給出了實現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu), 并在實驗室實現(xiàn)了該運動控制系統(tǒng)關(guān)鍵詞:噴碼機DSP; 步進電機; L297; L298中圖分類號:TP23文獻標識碼:B 文章編號:-D esi gn of Ba sed on D SP for Code Spurti n g M ach i n eJ NG Chang 2m ing, D I N G M ing 2jian, WANG Lei(Sino 2Ger man College, Tongji University, Shanghai 200092, China Abstract:A t w o 2phase hybrid step

3、p ing mot or 2based digital contr ol syste m based on DSP f or code 2s purting machine is devel oped . This syste m is mainly constructed by a DSP which is used as the core of contr ol parts and a dual full 2bridge driver L297and L298which are used as driving parts . Combined with other circuits and

4、 apparatus, the system fulfills the requie ment of digital mot or con 2tr ol . Finally, the running results of the mot or contr ol system s are given and analysed . Key words:code 2s purting machine; DSP; stepp ing mot or; L297; L298噴碼機是一種由微處理器控制, 非接觸式的噴墨標識系統(tǒng)。噴碼機控制系統(tǒng)包括噴碼子系統(tǒng)、運動子系統(tǒng)和綜合控制子系統(tǒng)3部分, 如圖1所示。噴

5、碼子系統(tǒng)負責(zé)接收上位機(控制子系統(tǒng) 發(fā)送的噴印命令, 設(shè)置噴印格式及內(nèi)容, 并驅(qū)動噴頭將字符串噴印出來; 運動子系統(tǒng)按控制子系統(tǒng)的命令設(shè)置定位參數(shù), 并據(jù)此確定版面與噴頭間的相對運動軌跡, 驅(qū)動版面運動, 當?shù)竭_噴印位置時反饋給控制子系統(tǒng)一個定位觸發(fā)脈沖; 控制子系統(tǒng)則負責(zé)對噴印子系統(tǒng)和運動子系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制, 以實現(xiàn)各部分協(xié)調(diào)工作 。圖1噴碼機控制系統(tǒng)組成目前國內(nèi)產(chǎn)品在運動子系統(tǒng)方面和國外產(chǎn)品相比還有差距。噴碼機存在操作過程相對繁瑣, 控制精度偏低, 穩(wěn)定性不高等缺點。打碼圖案不清楚、變形等情況時有發(fā)生。導(dǎo)致這些缺陷的主要原因一方面是機械傳動誤差, 更重要的是由于內(nèi)部電機的控制精度不夠造成

6、的。所以精確的運動控制系統(tǒng)是提高打碼質(zhì)量的關(guān)鍵。本系統(tǒng)根據(jù)噴碼機噴頭運動特點, 設(shè)計了基于DSP 的步進電機精確控制系統(tǒng), 實現(xiàn)了噴頭定位所需的控制精度。1系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)所用噴碼機的噴頭運動特點, 本設(shè)計選用兩相混合式步進電機作為執(zhí)行器。YK42HB47-01A 是深圳研控自動化科技有限公司生產(chǎn)的42mm 系列兩相混合式步進電機, 步距精度達到5%, 適合噴碼機噴頭的運動需求。步進電機的控制系統(tǒng)主要由數(shù)字信號處理器(DSP 、D /A轉(zhuǎn)換電路、細分驅(qū)動電路、步進電機、光電編碼器、外部電源以及外圍顯示電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示 。圖2噴碼機控制系統(tǒng)DSP 是步進電機控制系統(tǒng)的核心。它通過步進電

7、機驅(qū)動電路控制電機的運動狀態(tài)。光電編碼器能夠?qū)崟r測量步進電機的轉(zhuǎn)速, 并把信息傳送到DSP 的脈沖捕獲單元處理。DSP 通過串口把電機的各種信息反應(yīng)到工控機人機交互界面上。23測控技術(shù)2008年第27卷第7期2系統(tǒng)硬件設(shè)計 步進電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要包括DSP 外圍電路、細分驅(qū)動電路、接口電路等幾個部分。2. 1DSP 外圍電路噴碼機控制系統(tǒng)不僅要完成步進電機的精確控制, 還要處理來自其他系統(tǒng)的各種信息。所以使用一種高性能的處理器成為必然。TI 公司生產(chǎn)的T M S320F2812采用高性能的靜態(tài)C MOS 技術(shù), 主頻可達150MHz, 外部接口十分豐富, 另外CP U 具有兩個事件管

8、理器模塊, 特別適合運動控制和電機控制等領(lǐng)域。DSP 的外部引腳的額定電流有限, 為保護芯片, , DSP 與驅(qū)動電路之間要加光耦隔離電路T 外加3. 3V 2. 2細分驅(qū)動電路, 所以必須采用細分驅(qū)動的方式控制步進電機。本設(shè)計采用L297和L298驅(qū)動兩相混合式步進電機。L297是步進電動機控制器(包括環(huán)形分配器 , L298是雙H 橋式驅(qū)動器。它們所組成驅(qū)動步進電動機的接口如圖3所示。這種方式結(jié)合的優(yōu)點是, 需要的元件很少, 從而使得裝配成本低, 可靠性高和占空間少, 并且通過軟件開發(fā), 可以簡化和減輕DSP 的負擔(dān)。另外, L297和L298都是獨立的芯片, 所以應(yīng)用是十分靈活的。L29

9、7芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片, 它可產(chǎn)生四相驅(qū)動信號, 用于計算機控制的兩相雙極或四相單極步進電機。它的心臟部分是一組譯碼器, 它能產(chǎn)生各種所需的相序, 這一部分是由兩種輸人模式控制, 方向控制(C W /CCW 和HALF /FULL 以及步進式時鐘C LOCK, 它將譯碼器從一階梯推進至另一階梯。譯碼器有4個輸出點連接到輸出邏輯部分, 提供抑制和斬波功能所需的相序。L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器, 其設(shè)計是為接收標準TT L , 例如繼電器、。片內(nèi)每橋的三極管, , 。L298芯15個引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。為實現(xiàn)細分驅(qū)動, 本設(shè)計使用兩片L297和一片L298配

10、合, 每一片L297只驅(qū)動兩項步進電機的一項電流。每一片L297的參考電壓U ref 與D /A(MAX5741 轉(zhuǎn)換輸出相連。這樣, 步進電機的兩相電流的輸出完全由DSP 控制。DSP 向兩片L297發(fā)出時鐘信號、正反轉(zhuǎn)信號、復(fù)位信號及使能控制等信號。由于L297內(nèi)部帶有斬波恒流電路, 繞組相電流峰值由U ref 確定。當采用兩片L297通過L298分別驅(qū)動步進電機的兩繞組, 且通過D /A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的U ref 時, 即組成了步進電機細分驅(qū)動電路(如圖3 。D11D18為肖特基二極管I N 5822。其額定整流電流為3A, 反向擊穿電壓為40V, 恢復(fù)時間為10ns, 在這里用作續(xù)

11、流二圖3基于L297和L298的細分驅(qū)動電路33基于DSP 的噴碼機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計極管。這樣既能保證電流諧放的速度, 同時又能抑制電感電勢, 以保護晶體二極管免受感應(yīng)電勢峰值的沖擊。電路中Rs 2、Rs 3為0. 5/5W 的精密電阻, 用來調(diào)節(jié)斬波器電路的參考電壓, 該電壓將通過L297管腳13、14所反饋的電位的大小比較, 來確定是否進行斬波控制, 以達到控制電機繞組電流峰值、保護步進電機的目的。DSP 向L297發(fā)出時鐘信號、正反轉(zhuǎn)信號、復(fù)位信號及使能控制等信號。由于L297內(nèi)部帶有斬波恒流電路, 繞組相電流峰值由U ref 確定。當采用2片L297通過L298分別驅(qū)動步進電機的兩繞

12、組, 且通過D /A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的U ref 時, 即組成了步進電機細分驅(qū)動電路。2. 3接口電路設(shè)計在T M S3202812要添加較少的外圍電路, 程序下載等功能。DSP 通過JT AG 仿真器相連, 由于DSP 微處理器內(nèi)已經(jīng)集成了JT AG 仿真和測試模塊, 所以JT AG 接口的設(shè)計比較簡單, 將DSP 微處理器的JT AG 仿真和測試引腳引出即可。DSP 通過串行通信接口與上位計算機實現(xiàn)串行通信。本設(shè)計采用MAX232A 作為收發(fā)器。上位機的一切指令都通過串口送達DSP, 從而實現(xiàn)對步進電機的精確控制。3系統(tǒng)軟件設(shè)計DSP 對步進電機的軟件控制是整個設(shè)計的主題。一方面,DSP

13、 的E VA 模塊根據(jù)運動頻率、步長等信息產(chǎn)生一定頻率的P WM 信號, 驅(qū)動L297的C LOCK 信號。另一方面, 每過一個細分信號周期, DSP 輸出到L297端口的U ref 順次發(fā)生變化, 使通過線圈的電流逐漸增大或減小, 而不是一次通入或切斷。具體方法如下:如果細分數(shù)為N , 則按正弦曲線公式, 計算出各點的電壓值(U ref =U in ×sin (n ×(2N (n =0, 1, 2, , N 。該值經(jīng)過處理后存儲到F LAS H 中, 每一個細分脈沖發(fā)生時, 程序調(diào)用F LAS H 中的數(shù)據(jù), 將其通過D /A轉(zhuǎn)換程模擬電壓, 經(jīng)過放大后, 作為U ref

14、 的電壓。另外, 與工控機的通信、LCD 顯示等功能也需要通過軟件完成。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。4結(jié)束語該系統(tǒng)在實驗室進行了測試。測試結(jié)果表明, 運動控制子系統(tǒng)控制精度高, 步進電機可以實現(xiàn)10, 20, 32, 64甚至200細分(圖5為4細分相電流波形圖 。完全能夠達到控制精度要求。在長時間的大力矩驅(qū)動過程中, 其斬波恒流特性較好地控制了發(fā)熱現(xiàn)象。測控技術(shù)推出免費開放式在線閱讀!征訂電子版期刊靜態(tài)、動態(tài)廣告!一朝發(fā)布, 持續(xù)在線,讓廣告展示無窮的生命活力, 再不為刊期、頁面、成本困擾! 測控在線www . mct . com. cn 歡迎刊登廣告電話:(010 65670337/ 6566

15、5345圖4 主程序流程圖圖54細分驅(qū)動繞組電流波形圖參考文獻:1劉寶廷, 程樹康. 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1997.2唐國棟, 高云國. 基于L297/L298芯片步進電機的單片機控制J .微計算機信息, 2006, 12, (1 :134-136.3譚建成. 電機控制專用集成電路M.北京:機械工業(yè)出版社,2003.(上接第31頁參考文獻:1Mann S . Humanistic computing:"W ear Comp" as a ne w frame work andapp licati on for intelligent

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