基于DSP和CAN總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究_圖文

1、 嵌入式技術(shù) 電 子 測 量 技 術(shù) EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY第 32卷 第 1期2009年 1月 基于 DSP 和 CAN 總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究王 瑾(陜西紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 咸陽 712000摘 要 :為了提高步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制精度 , 提出基于數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320L F2407A 的步進(jìn)電 機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 , 包括系統(tǒng)硬件 、 軟件及加減速控制算法的設(shè)計(jì) ; 并運(yùn)用 CAN 總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 DSP 與工控機(jī)之 間的數(shù)據(jù)通信 。 通過實(shí)驗(yàn)測試 , 結(jié)果驗(yàn)證了步進(jìn)電機(jī)加減速控制算法的正確性和有效性 。

2、關(guān)鍵詞 :步進(jìn)電機(jī) ; 數(shù)字信號(hào)處理器 ; CAN 總線 ; 加減速控制 中圖分類號(hào) :TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :AStudy on stepping motor control system based on DSP busWang Jin(Shaanxi Textile and Garment Abstract :In order to improve dynamic and stepping motor control system ,this paper brings forward stepping TMS320L F2407A DSP , including hardware de

3、sign , software of and deceleration. Data communication between DSP and industrial the use of CAN bus. Through experimental test , the results prove that control algorithm of and deceleration is correct and effective.K eyw ords :stepping motor ; DSP ; CAN bus ; control of acceleration and decelerati

4、on0 引 言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu) , 其轉(zhuǎn)子角位移與輸入脈沖的個(gè)數(shù)成正比 , 其轉(zhuǎn)動(dòng)速 度與輸入脈沖的頻率成正比 , 通過改變脈沖頻率可以實(shí)現(xiàn) 大范圍內(nèi)的調(diào)速 ; 同時(shí) , 步進(jìn)電機(jī)易于與計(jì)算機(jī)和其它數(shù) 字元件接口 , 因此被應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中 1。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展 , 數(shù)字信號(hào)處理器以其強(qiáng)大的 運(yùn)算處理功能、 較高的控制精度而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中普遍 使用。 在眾多 DSP 型號(hào)中 , TMS320L F2407A 作為 TI 公 司的一款新型 16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 , 以其外設(shè)集成 度高、 A/D 轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn) , 而被廣泛用于電機(jī)數(shù)字化 控制。

5、為了 提 高 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 性 能 和 精 度 , 本 文 以 TMS320L F2407A 為核心 , 實(shí)現(xiàn)了三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) ; 并運(yùn)用 CAN 總線技術(shù) , 完成了上位機(jī)與步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于 DSP 和 CAN 總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 1所示。 整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)字信號(hào)處理器、 CAN 總線及其接口電路、 工控機(jī)、 步進(jìn)電機(jī)等部分組成。本系統(tǒng)上位機(jī)經(jīng) CAN 接口適配卡與總線相連 , 實(shí)現(xiàn) 對下位機(jī)的監(jiān)控和管理 。 下位機(jī)選用 TMS320L F2407A , 通過 CAN 驅(qū)動(dòng)器 PCA82C250連接至 CAN 物

6、理總線 2; DSP 用于接收上位機(jī)指令 , 實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制及向 上位機(jī)發(fā)送電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和各種參數(shù) 。在此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 中 , 可配置多個(gè)節(jié)點(diǎn) , 各節(jié)點(diǎn)之間都能通過 CAN 總線交 換信息 。圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖211 王瑾 等 :基于 DSP 和 CAN 總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究第 1期2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2. 1 DSP 與 CAN 總線接口電路DSP 與 CAN 總線接口電路主要用于完成工控機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信 , 電路如圖 2所示。圖 2 DSP 與 CAN 總線接口電路電路選用 PCA82C250作為 CAN 控制器和 CAN 間的接口 , 統(tǒng)抗干擾性能 , 在 DSP

7、與 離電路 , , 10M Hz 。電 , 輸 出 引 腳 CAN H 和 CANL 120終端匹配電阻 ; 否則 , 會(huì)降低 總線 數(shù) 據(jù) 通 信 的 可 靠 性 3。并 將 RS 引 腳 接 地 , 使 PCA82C250工作于高速通信方式。 2. 2 脈沖分配器電路步進(jìn)電機(jī)輸出接口電路包括脈沖分配器電路和功率 驅(qū)動(dòng)電路 2部分。脈沖分配器根據(jù)指令將脈沖按一定邏輯關(guān)系加到各 相繞組的功率放大器上 , 使步進(jìn)電機(jī)按一定方式運(yùn)行 4。 系統(tǒng)采用專為三相步進(jìn)電機(jī)脈沖控制而設(shè)計(jì)的接口芯片 C H250作為脈沖分配器 , 電路如圖 3所示。圖 3 脈沖分配器電路圖中 CH250接成三相六拍工作方式

8、, TMS320L F2407A的 PWM1、 T1PWM 腳分別與 CH250的 J6r 、 CP 端相連。PWM1腳的電平高、 低控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 ; T1PWM 腳輸出脈沖的個(gè)數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度 ; 其輸出脈沖的 頻率控制電機(jī)的加、 減速運(yùn)動(dòng)。 2. 3 功率驅(qū)動(dòng)電路脈沖分配器 CH250的 A 、 B 、 C 三端輸出電流很小 , 為 200400A ; 而所用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流較大 , 每相靜態(tài)電流約 3A 。 為滿足驅(qū)動(dòng)要求 , 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了步進(jìn) 電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路 , 如圖 4所示 (以 A 相為例 。電路采用三級晶體管放大 , 第 1級用 3D G6小功率管 ,

9、第 2級用 3D K4中功率管 , 第 3級用 3DD15大功率管。 L A 為步進(jìn)電機(jī) A 相繞組。 R15為限流電阻 , 保證電流穩(wěn) 態(tài)值為額定值 ;D2為續(xù)流二極管 , 防止 3DD15關(guān)斷時(shí)繞組 反電勢擊穿管子。 C9為加速電容 , 動(dòng)態(tài)工作時(shí) , 利用其旁 路作用 , 使電機(jī)繞組電流上升加快 , 沿 , 提高電機(jī)高頻性能 5。圖 4 步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)存在啟動(dòng)時(shí)的失步、 停止時(shí)的過沖現(xiàn)象 , 這 是影響步進(jìn)電機(jī)位置控制精度的主要原因。因此 , 軟件設(shè) 計(jì)主要介紹步進(jìn)電機(jī)加減速控制算法及程序?qū)崿F(xiàn)。3. 1 加減速控制算法設(shè)計(jì)在位置控制時(shí) , 對步進(jìn)電機(jī)的加減速

10、有嚴(yán)格要求 , 就 是在不失步和過沖的前提下 , 用最短的時(shí)間移動(dòng)到指定位 置 6。 為滿足加減速控制要求 , 本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)按照指數(shù) 加減速曲線進(jìn)行控制 , 如圖 5所示。圖 5 指數(shù)加減速曲線311 第 32卷 電 子 測 量 技 術(shù)系統(tǒng)按指數(shù)曲線加減速時(shí) , 驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率 f 與升速時(shí)間 t 的關(guān)系如下 7:f =f m -f m e-t/(1式中 :f m 為步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率 ; 是決定升速快慢的 時(shí)間常數(shù) , 實(shí)際工作中可由實(shí)驗(yàn)來確定。實(shí)際運(yùn)行中 , 若 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為 f g , 由式 (1 可算出升速時(shí)間為 :t r =ln f m -ln f m -f g (2 由于

11、 DSP 是用定時(shí)器比較中斷方式來控制步進(jìn)電機(jī)速度的 , 電機(jī)的加減速控制實(shí)際上是不斷地改變定時(shí)器周 期寄存器的裝載值。 為了編程方便 , 可用階梯曲線來擬合 加速曲線 , 將升速段按照速度等間距均勻地離散為 n 檔 , 如 圖 6所示。f g , 穩(wěn)定運(yùn)行最高頻率為f c , 則相鄰兩速度級的頻率變化為 :f =(f c -f q /n (3則每一檔頻率 f k 為 :f k =f q +f k -(k =1,2, , n 每一檔運(yùn)行時(shí)間 Tk 為 :T k =t r f k+1-t r f k(k =1,2, , n 式中 :t r f k 、 t r f k+1分別為運(yùn)行頻率為 f k

12、及 f k +1時(shí) 的升速時(shí)間。各分檔速度內(nèi)運(yùn)行步數(shù) N k 為 :N k =f k T k(4 則加速過程總步數(shù) N r 為 :N r = nk =1Nk(5執(zhí)行加速控制時(shí) , 對每檔速度都要計(jì)算在此臺(tái)階上應(yīng) 走步數(shù) , 然后以遞減方式查詢。當(dāng)減至 0時(shí) , 表明該速度 檔步數(shù)已走完 , 進(jìn)入下一檔速度。同時(shí) , 遞減加速過程總 步數(shù) , 直到加速過程走完。以上就是對步進(jìn)電機(jī)加速過程 的處理方法 , 減速過程的處理同加速過程。 3. 2 加減速控制程序?qū)崿F(xiàn)采用指數(shù)加減速曲線控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí) , 需要通過 計(jì)算來獲得 PWM 輸出頻率 ; 為提高程序執(zhí)行效率 , 系統(tǒng)采 用圖 6所示近似指數(shù)

13、加速曲線 8。即用速度級數(shù) M 與 1個(gè)常數(shù) C 的乘積來模擬在該速度級上保持的時(shí)間 , 并且保持時(shí)間用步數(shù)來代替 ; 因此 , 在每個(gè)速度級上 , 步進(jìn)電機(jī)都要走 MC 步。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí) , 啟動(dòng)頻率為 400Hz , 最高頻 率 3200Hz ; 取電機(jī)速度級數(shù) M =7, 常數(shù) C =2。 當(dāng)外部時(shí) 鐘頻率為 10M Hz , 經(jīng) DSP 內(nèi)部鎖相環(huán) 4倍頻 , 且通用定時(shí) 器 1的預(yù)分頻因子為 64時(shí) , 可求出各速度級上 PWM 信號(hào) 頻率所對應(yīng)的定時(shí)器 1周期寄存器值 T1PR , 如表 1所示。 程序運(yùn)行時(shí) , 可通過查表來改變 T1PR 的裝載值 , 控制輸 出 PWM

14、 信號(hào)的頻率 ; 這樣可以大幅減少占用 CPU 的時(shí) 間 , 提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。表 1 加速時(shí)各級頻率及 T 1PR 值對照表速度 級數(shù)M 頻率 /Hz 每級脈沖個(gè)數(shù)周期 寄存器T1PR 值 速度級 數(shù) M頻率 /Hz每級 脈沖個(gè)數(shù) 周期 寄存器T1PR 值1400261A H 500010138H2800430D H 12104H 31 2006140DF H1DSP 定時(shí)器 1的 1次 該程序 , 也即步進(jìn)電機(jī)每走一步調(diào)用 1次 ; 并按照加減速 控制要求經(jīng)查表裝入 T1PR 值 , 在緊接著的下 1個(gè)周期中 相應(yīng)地控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度。加減速控制程序流程圖 如圖 7所示。圖 7 加減速控

15、制程序流程圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí) 驗(yàn) 過 程 中 , 系 統(tǒng) 選 用 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī)70BF003, 其額定激勵(lì)電壓 27V , 每相靜態(tài)電流 3A , 步距 角 =1. 5°, 最大靜轉(zhuǎn)矩 0. 784N m 。 系統(tǒng)工作時(shí) , 使步411 王瑾 等 :基于 DSP 和 CAN 總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究第 1期進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率為 400Hz , 最高工作頻率 3200Hz , 取速度級數(shù) M =7, 常數(shù) C =2, 分別用示波器對步進(jìn)電機(jī)加、 減速 過程中 TMS320L F2407A 的 T1PWM 引腳輸出信號(hào)頻率 進(jìn)行檢測 , 其波形如圖 8所示。圖 8 實(shí)

16、驗(yàn)結(jié)果由圖 可 知 , 步 進(jìn) 電 機(jī) 在 進(jìn) 行 速 度 控 制 時(shí) , DSP 的T1PWM 引腳輸出頻率可變的 PWM 信號(hào) ; 且步進(jìn)電機(jī)速 度并非一直上升 (或下降 , 而是每升 1級 (或每降 1級 都 要在該速度級上保持一段時(shí)間 , 即實(shí)際加、 減速軌跡呈階 梯狀 , 并在速度級上按 2、 4、 6、 等步數(shù)變化 ; 同時(shí) , 輸出波 形最低頻率 400Hz , 最高頻率 3200Hz 。 以上情況均表明 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)加、 減速控制算法得以有效實(shí)施。5 結(jié)束語本文以 TMS320L F2407A 為控制核心 , 實(shí)現(xiàn)了三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ; 運(yùn)用 CAN 總線技術(shù)

17、, 完成了工控 機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信 ; 重點(diǎn)介紹了步進(jìn) 電機(jī)加減速控制算法及其程序?qū)崿F(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn) , 結(jié)果驗(yàn)證 了步進(jìn)電機(jī)加減速控制算法設(shè)計(jì)的正確性和有效性 ; 同 時(shí) , 系統(tǒng)所采取的軟、 硬件設(shè)計(jì)措施及步進(jìn)電機(jī)控制算法 具有一定通用性 , 也可用于其他步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中。參 考 文 獻(xiàn)1 劉亞東 , 李從心 , 王小新 . 步進(jìn)電機(jī)速度的精確控制J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào) ,2001,35(10 :151721520.2 孫兵 , 何瑾 , 陳廣廈 . 基于 DSP 的 CAN 總線與以太網(wǎng)互聯(lián) 系 統(tǒng) 研 制 J .儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào) , 2008, 29(2 :3772380.3 李星林 , 黃石生 . 高速雙絲脈沖 MIG 焊的研究 J.電力電子技術(shù) ,2008,42(3 :39240.4 王輝堂 , 顏?zhàn)杂?, 陳文薌 . 模塊單片機(jī)的分 技 國 外 電 子 測 量 技 術(shù) , 3 :92.