基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)的改進

1、基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)的改進1原文2010年 儀表技術與傳感器 2010第8期 InstrumentTechniqueandSensor No.8基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)設計張寶發(fā),趙輝,岳有軍(天津理工大學自動化學院,天津 300384)摘要:根據(jù)步進電機原理及DSP控制方法,進行了步進電機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計,同時介紹了與上位工業(yè)控制機的通信。DSP采用TMS320LF2407A,它控制機床的切(削)刀在X,Y兩方向上移動。此位置控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式,在硬件上DSP通過PCI總線接口芯片CH 365和8255通用芯片與PC機進行通信,在DSP與步進電機間選用脈沖分配和驅動

2、電路芯片UCN 5804B。在軟件上給出了步進電機位置控制和加減速控制的程序流程圖。該設計可應用于經濟型數(shù)控機床。關鍵詞:步進電機;數(shù)字信號處理器;工控機;PCI總線中圖分類號:TP271文獻標識碼:A文章編號: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 引言隨著微型計算機和大功率電子元件的迅速發(fā)展,很多傳統(tǒng)的模擬控制技術已讓位于微機控制技術。眾多電機通過微機進行控制,提高了運行性能,在機電一體化及工業(yè)自動化控制方面取得令人矚目的成果。通過微機控制,可使電機的性能有很大的提高1。目前,微機控制廣泛應用于數(shù)控機床等自動化設備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)。步進電機是工業(yè)過程中一種能夠快速啟動、反轉和制動的執(zhí)行元件,其功能是將電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移。開環(huán)條件下,不僅能夠實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)的定位,而且能夠自鎖。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件,它具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點,廣泛應用在數(shù)控機床、機器

6、人、自動化儀表等領域,尤其是在強調速度控制、位置控制的伺服系統(tǒng),例如數(shù)控設備中的刀具快速定位以及輪廓的定位跟蹤系統(tǒng)2 為了實現(xiàn)步進電機的運動控制,較多采用的一種方案是以單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器,通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù),實現(xiàn)步進電機的速度和位置定位。但是,這種方案中微處理器所需的周邊器件較多,對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性有較大影響,同時在某些控制場合,其程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實時控制性的一個瓶頸3。為了提高性能,在先進的數(shù)控伺服系統(tǒng)中,已采用高速。數(shù)字信號處理芯片,DSP芯片是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器。芯片一般均采用特殊的軟、硬件結構

7、,其內部的程序空間和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時訪問指令和數(shù)據(jù),并且擁有快速的中斷處理和硬件I/O支持,具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器,可以并行執(zhí)行多個操作,片內具有快速RAM,通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在不同數(shù)據(jù)塊中同時訪問。同工業(yè)自動化控制中常用的8位或16位單片機相比,DSP芯片具有更適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源,可用于復雜的數(shù)字信號處理算法。TMS320LF2407A是TI(德州儀器)公司生產的是適用于工控領域應用而設計的一款工控型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控制應用中比傳

8、統(tǒng)的單片機有著無以倫比的優(yōu)勢。1 總體方案系統(tǒng)是面向數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)進行設計,為達到實時性控制要求,X向位置和Y向位置均由DSP進行控制,而用戶面向的上位機是工業(yè)控制機(或PC機),DSP通過PCI總線與主機通信。此位置伺服控制采用開環(huán)控制方式,用戶在工控機上進行指令操縱,并監(jiān)控電機運行過程,進行工作的其他功率電機可另行手動調速控制?？傮w結構框圖如圖1所示。2 硬件設計2.1 硬件結構組成 PCI總線協(xié)議復雜,設計PCI控制接口難度較大,采用專用接口器件雖沒有可編程邏輯器件那么靈活,但能夠有效降低接口設計難度,縮短開發(fā)時間。而通用PCI接口芯片功能全而強大,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)幾個讀寫控制信號,就能實現(xiàn)PCI總線與PCI設備之間的連接,類似ISA接口那么簡單方便。該設計選用PCI總線接口芯片CH 365,它是用于低成本的計算機板卡,也用于高速實時的I/O通信4。CH 365與2407A之間通過8255進行雙向數(shù)據(jù)傳輸,連接如圖2所示。步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移(或線位移)的電磁裝置,當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動,每給它一個脈沖信號,它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比,在時間上與輸入脈沖同步,因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序,便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒

10、有脈沖輸入時,在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。反應式步進電動機的步距角按下式計算5:式中:Zr為轉子齒數(shù);N為拍數(shù),N=K·m;m為電動機相數(shù);K= 1(單拍或雙拍),K= 2(單雙拍)。電動機的轉速可由下式計算:當工作方式確定后,調整脈沖的頻率f就可以對電機進行調速。MS320LF2407A事件管理器A、B分別控制2臺步進電機,在2407A與步進電機間選用脈沖分配和驅動電路芯片UCN 5804B1,6,并以四相反應式步進電動機為例,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控制步進電機轉速原理MS320LF2407A集成

11、了通用定時器和脈寬調制輸出通道,并提供使用定時器周期寄存器的周期值和比較寄存器的比較值來實現(xiàn)產生PWM波的方法。周期值用于產生PWM波的頻率(或周期),比較值用于產生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個來源:(1) 利用定時器、定時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個比較單元,每個比較單元各輸出2個可帶死區(qū)的PWM波.如果把PWM波上升沿(或下降沿)作為驅動步進電機轉動的脈沖(稱PWM脈沖),則通過實時調節(jié)PWM波的頻率(或周期)以實現(xiàn)對步進電機的轉速控制。步進電機在每個PWM脈沖下轉動1步,轉動角度為1個步距角b.

12、當DSP產生k個PWM脈沖時,步進電機轉動的角位移為步進電機轉動的角速度為式中:k/t的物理意義是單位時間內的脈沖個數(shù),即脈沖頻率。由上式可計算出PWM脈沖頻率,按此頻率設置定時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,角速度隨時間變化。要求DSP程序實時改變定時器周期值,使PWM脈沖頻率隨時間變化以實現(xiàn)變速控制。PWM脈沖頻率控制精度高,則步進電機速度控制精度也高.3 軟件設計3.1 步進電機位置控制步進電機的位置控制指控制步進電機帶動執(zhí)行機構從一個位置精確運行到另一個位置,步進電機的位置控制是它的一大優(yōu)點,它可以不用借助位置傳感器而只

13、需簡單的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度。步進電動機的位置控制需要2個參數(shù):絕對位置(執(zhí)行機構當前位置)是有極限的,其極限是執(zhí)行機構的運動范圍;相對位置(移動到目標的距離)將被折算成電機步數(shù).位置控制的一般做法是:步進電機每走1步,步數(shù)減1,如果沒失步存在,當執(zhí)行機構到達目標時,步數(shù)正好為0。絕對位置可作為人機對話的顯示參數(shù),它與步進電機的轉向有關,當步進電機正轉時,每走一步絕對位置加1,當步進電機反轉時,每走一步覺得位置減1。位置控制子程序流程圖如圖4所示。3.2 步進電機加減速控制步進電動機在旋轉過程中要經歷加速、減速過程。如果啟動時一次將速度升到給定速度,由于啟動頻率超過極限啟動頻率就要發(fā)

14、生失步現(xiàn)象。如果到終點時突然停下來,由于慣性作用,電動機會發(fā)生過沖現(xiàn)象,造成位置精度降低。如果非常慢地加減速,電動機雖然不會產生失步和過沖現(xiàn)象,但影響了執(zhí)行機構的工作效率。為了滿足加、減速要求,步進電動機運行通常按照加、減速曲線進行。加、減速運行曲線沒有一個固定的模式,一般根據(jù)經驗和試驗得到。步進電機的加減速控制就是控制步進電機去拖動給定的負載,通過加速、恒速、減速過程,從一個位置運行到另一個位置。這就有2個要求:總步數(shù)要符合給定值;總的走步時間要盡量短5。加減速規(guī)律一般選擇按指數(shù)規(guī)律,也就是升速開始時先采用大一點的加速度,隨著轉速的升高,加速度逐漸減小;減速時則是高速段減速度小一些,低速段減

15、速度大一些,這樣符合步進電機的輸出轉矩隨轉速的升高而減小的狀況。用DSP對步進電機進行加減速控制實際上就是控制每次換相的時間間隔。升速時,使脈沖串逐漸加密,減速時則相反,即不斷改變定時器的裝載值。實際編程時使用離散化的指數(shù)加減速曲線,那么在每一速度級上速度保持的時間不一樣長。為簡化程序,用速度級數(shù)N與一個常數(shù)C的乘積表示,速度每升一級,步進電機都要在該速度級上走NC步?？稍O速度級差為10個定時計數(shù)時鐘,具體據(jù)實際應用而調整1。根據(jù)此規(guī)律,設計加減速子程序流程圖如圖5所示。3.3 PCI總線編程對于上位機上的控制界面的設計可以采用多種語言,VisualBasic,VisualC+ +,Delph

16、i等語言。界面的設計相對簡單,比較復雜的是將X,Y位置實時顯示在屏幕并根據(jù)工人設定的曲線移動,便于顯示工作進度,這些用到計算機的圖形處理和操作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硬件的特性進行編程。4結束語根據(jù)步進電機原理及DSP控制方法,進行了步進電機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計,同時介紹了與工控機用戶界面的通信。對于步進電機脈沖分配,采用了硬件實現(xiàn)的方法,并對步此運動控制系統(tǒng)具有以下特點:(1)系統(tǒng)選用器件少,硬件結構簡單。(2)整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。(3)DSP的中斷處理速度高,計算速度快,DSP作為嵌入式微處理器對步進電機進行控制,應用了其功能強大的事件

17、管理器。對于DSP與工控機的通信,采用PCI接口編程實現(xiàn),也可采用其他方式,如串、并口通信。本設計可應用經濟型數(shù)控機床,如石材切削或雕刻等,由于面向的Windows界面設計,相對于目前使用DOS操作界面的此類數(shù)控機床來說,工人的操作將得簡單易行。參考文獻: 1王曉明,王玲.電動機的DSP控制.北京:北京航空航天出版社,2004. 2萬達淳,代作曉,華建文.基于DSP的多路四相步進電機控制器的設計與實現(xiàn).科學技術與工程,2008,4(8):1994- 1997. 3李峻,李學全,胡德金.步進電機的運動控制系統(tǒng)及其應用.微特電機,2000,2(4):37- 39. 4尹勇,李宇.PCI總線開發(fā)寶典

18、.北京:北京航空航天出版社,2005. 5李仁定.電機的微機控制.北京:機械工業(yè)出版社,1999.10. 6譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用.北京:機械工業(yè)出版社,2005. 7何平,李岳,徐小軍.基于DSP的步進電機高精度變速控制研究.自動測量與控制,2007,11(26):86- 89. 8袁麗娟,王應海,朱力軍.SM 8954A單片機在步進電機升降速控制中的應用.電子技術,2008(6):50- 51. 9熊遠生,錢蘇翔,高金鳳.基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)與上位機的串行通信設計.機電工程,2004,9(21):17- 21.作者簡介:張寶發(fā)(1976),碩士研究生,研究領域為控制

19、理論與控制工程。E-mail:cepgei2009 2該設計的不足 首先它的DSP中央控制器TMS32LF2407與步進電動機之間只有驅動電路,功能較少,只能簡單的驅動步進電動機.其次,該電動機的控制方式采用開環(huán)控制方式,由于開環(huán)控制控制沒有反饋回路，控制精度較低，輸出一旦偏離設定值無法自行矯正。而且開環(huán)控制沒有轉速信號,沒有辦法對步進電動機的轉速(位置)進行采樣檢測.最后該設計沒有可以明顯顯示變量,參數(shù)的液晶顯示屏,無法讓人清晰知道在步進電機工作時,各種變量,參數(shù)的變化.3對該設計的改進 針對以上問題,我做出了如下改進,首先我增加了鍵盤和液晶顯示部分, 其中鍵盤設定給定轉速( 位置), 通過

20、中央控制器 TMS320LF2407 來產生 PWM 脈沖信號來控制步進電機的轉速(位置), 液晶顯示可以直觀反映在該系統(tǒng)工作過程中的多個變量、參數(shù)的變化。其次增加了廣電編碼部分,它可以對步進電機的轉速( 位置) 進行采樣檢測實現(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信號送回到控制端，看看輸出是不是滿足我們的需要，如果偏離了預期的設定范圍，那么就可以在控制端進行相應的補償，就是說在控制端，做出相應的變化從而達到控制輸出的變化，然后達到矯正輸出恢復設定范圍的目的.最后我還增加了外圍電路和看門狗復位電路,可以保證DSP芯片可以獨立使用開關電源和可靠復位.具體方案如下。4硬件設計4.

21、1總體方框圖 整 個 系 統(tǒng) 分 為 八個 部 分 組 成 :如圖 1 所示,在這個系統(tǒng)設計中, 由鍵盤設定給定轉速( 位置) , 通過中央控制器 TMS320LF2407 來產生 PWM 脈沖信號來控制步進電機的轉速(位置), 可以采用光電編碼器對步進電機的轉速( 位置) 進行采樣檢測實現(xiàn)閉環(huán)控制, 也可以采用開環(huán)控制無需轉速( 位置) 信號, 以上過程中的多個變量、參數(shù)可以在液晶顯示屏上得到直觀地反映。整個硬件結構簡單直觀, 中央控制器 TMS320LF2407 還剩余豐富的 I/O 及中斷資源, 在此設計基礎上具有一定的擴展空間。圖1 硬件原理方框圖4.2驅動電路方框圖步進電機的驅動系統(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、信號放大電路、環(huán)形分配器、推動級(進一步放大)、功率驅動電路和保護電路(如過流保護等)等組成。脈沖發(fā)生器向驅動器發(fā)送脈沖，然后環(huán)形分配器來決定驅動器如何控制電機繞組的截止和導通，從而控制電機的運轉。信號放大處理電路實現(xiàn)信號的轉換、合成等功能，產生具有斬波等特性的控制信號。推動級的主要作用是放大較小的信號，使其能夠推動驅動級電路。保護電路主要是保護驅動電路防止其因為溫度過高，電流過大等原因而不能正常工作。圖2 驅動電路方框圖4.3液晶顯示電路原理圖本設計采用的芯片是HD44780芯片,它是一種點陣字符型顯示模塊. 可以顯示字符、數(shù)字, 還可以

23、顯示各種圖形、曲線和漢字,并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本顯示等功能, 功耗小、體積小、質量輕、超 薄 等 諸多 其 它 顯示 器 無 法比 擬 的 優(yōu)點, 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計采用的開發(fā)板，既可以使用獨立的5V/1A開關電源,也可以使用USB線直接供電,使用起來很方便.因為PC機可以提供USB供電,所以為了便捷,在設計中我采用了USB線直接將開發(fā)板和PC機相連進行供電.其電路圖如圖4所示。圖4 電源模塊原理圖45復位電路原理圖在本設計中復位電路采用了專門的復位芯片SP708R,保證DSP芯片能可靠復位,并且提供手動復

24、位按鈕,方便在程序死機的情況下重新啟動.需要復位時,按下按鍵(KEY1)一次,既給SP708R芯片一個脈沖即可.如圖5所示。圖5 復位電路原理圖5系統(tǒng)軟件設計在整個軟件設計中,共包含主程序、步進電機驅動程序、液晶顯示驅動程序按鍵掃描中斷程序、編碼器檢測換算程序等程序塊。下面著重介紹一下步進電機驅動程序、編碼器檢測換算程序及主程序。5.1驅動程序在步進電機驅動程序設計中, 充分運用 TMS320LF2407 控制器的事件管理模塊。在 TMS320LF2407 中各有一個 16 位比較存器 CMPRx( x=4、5、6) , 每個比較器各有兩個比較 PWM 輸出引腳, 產生 3 路 PWM 輸出信

25、號, 控制電機轉速( 位置) , 其輸出引腳極性將由控制寄存器( ACTR) 的控制位來決定, 根據(jù)需要選擇高電平或低電平作為開通信號。在 PWM 信號調制中需要周期一定的載波, 這時用到了定時器 3, 它以內部 CPU 時鐘作為輸入, 工作于連續(xù)增/減計數(shù)模式下,產生 PWM 脈沖輸出, 產生的脈沖為一個環(huán)形可變脈沖, 這時由 T3PR 定時周期下溢和上溢時產生中斷, 刷新周期值, 進行 PWM 調整電機轉速與電脈沖頻率 f 的關系： n=轉速f=電脈沖頻率=步距角, 在此設計中采用的是三相六拍制步距角為 把代入式中, 化簡后得到n=f/4 由電脈沖頻率 f 與 PWM 計數(shù)值之間的關系如下f=7.5*106HZ/64y y=PWM 計數(shù)值7.5*106HZ=TMS320LF2407 時鐘頻率64=T3 定時器分頻系統(tǒng)和式合化簡后得到:y=29297/n 最后, 此設計中把給定轉速轉化成相對應的二進制碼, 用29297 除以給定轉速即得到 PWM 基數(shù), 所得到的 PWM 數(shù)值再乘以 3 得到定時器 3 的 T3PR的周期值, 對應不同頻率的 PWM脈沖輸出, 如圖 6所示。圖6 電機運行中斷流程圖5.2主程序流程圖程序運行開始后，首先進行系統(tǒng)初始化，初始化內容包括:將DSP的IOPE0到