基于DSP的步進電機控制模塊設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計課程設(shè)計報告題目:姓 名： 吳清清 院 系： 電力學(xué)院 專業(yè)： 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 譚聯(lián) 完成時間: 2016 年 12 月 31 日摘要電動機控制是工業(yè)自動化進程中一個相當(dāng)重要的組成部分，隨著工業(yè)自動控制對電動機控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電動機控制技術(shù)也變得越來越重要，微處理器已經(jīng)廣泛用于電動機控制領(lǐng)域。由于處理數(shù)據(jù)量的增加和對實時性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的基于單片機的控制策略越來越不能滿足需要，隨著數(shù)字信號處理器（DSP）的迅速發(fā)展及性價比的不斷提高，數(shù)字信號處理器應(yīng)用于電動機控制領(lǐng)域已經(jīng)成為一種趨勢。因此研究DS

2、P在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也有重要的意義。關(guān)鍵詞：電動機控制；步進電動機；數(shù)字信號處理器；控制系統(tǒng)目錄專心-專注-專業(yè)1 課程設(shè)計題目、內(nèi)容與要求 1.1 設(shè)計內(nèi)容利用DSP設(shè)計一個步進電機控制模塊。掌握使用DSP的擴展I/O端口控制外圍設(shè)備信息的方法。掌握使用 DSP 通用計時器的控制原理及中斷服務(wù)程序的編程方法。了解步進電機的控制方法。1.2 具體要求（1）完成硬件各部分的設(shè)計（2）軟件部分的設(shè)計。2.步進電機的介紹2.1步進電機的概念步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)

3、步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2.2步進電機的原理當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來

4、控制步進電機的轉(zhuǎn)動。2.3步進電機的分類目前常用的有三種步進電動機：(1)反應(yīng)式步進電動機(VR)。反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。(2)永磁式步進電動機(PM)。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。(3)混合式步進電動機(HB)?；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進電動機3 系統(tǒng)設(shè)計 3.1 DSP芯片的選擇本次課程設(shè)計選用的芯片為TMS320F28335DSP芯片。TMS320F28335型TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP

5、控制器。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外設(shè)高，數(shù)據(jù)以及程序大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮 點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSC相比，平均性能提高50%，并與定點C28x控制器，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低。F2833X在保持150MHz時鐘速率不變的情況下，新型F2

6、833X浮點控制器與TI前代領(lǐng)先控制器相比，性能平均提高50%。與作用相當(dāng)?shù)?2位定點技術(shù)相比，快速轉(zhuǎn)換（FFT）等復(fù)雜計算算法采用新技術(shù)后性能提升了一倍之多。3.2系統(tǒng)框圖圖1步進電機設(shè)計原理3.3 步進電機的DSP控制3.3.1 芯片在電機控制中的應(yīng)用DSP器件具有較高的集成度，具有比單片機更快的CPU，更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。最為突出的是，DSP器件精簡的指令系統(tǒng)（大多數(shù)指令能在一個指令周期內(nèi)完成）、獨立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。采用基于DSP的電機專用集成電路的另一個好處是，可以降低對傳感器等外圍器件的

7、要求。而且，DSP控制器能自接以動態(tài)控制方式運行，無需依賴于過去查尋圖表的方式。在高速控制中，使用DSP可進行通常的位檢測和邏輯運算以及高速數(shù)據(jù)傳送。隨著價格的日益下降，性能不斷提高，采用DSP器件代替單片機來控制電機將成為電機控制的發(fā)展趨勢。 DSP用于電機控制有很多好處： （1）執(zhí)行高級運算，減少力矩紋波，從而低振動、長壽命； （2）高級運算使得諧波小，很容易滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，降低濾波器成本；（3）提供無傳感器運算，省去位置和速度傳感器； （4）減少查詢表，降低內(nèi)存需求； （5）實時產(chǎn)生平滑的、近乎完美的參考模型，獲得好的性能； （6）控制逆變器，產(chǎn)生高精度PWM輸出； （7）提供單片控制

8、系統(tǒng)。 3.3.2 步進電機的DSP控制原理 DSP事件管理器的比較單元總共可以產(chǎn)生12路PWM脈沖，算上通用定時器的比較操作總共可以提供16路PWM。每個步進電機需要2路PWM，一路用于轉(zhuǎn)向控制，一路用于步進控制。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)控制信號工作的，在步進電機的DSP控制中，控制信號是由DSP產(chǎn)生的。其基本控制作用如下： （1）換相順序 步進電機的通電換相順序是嚴(yán)格按照步進電機的工作方式進行的，通常把通電換相這一過程稱為“脈沖分配”。例如，三相步進電動機的單三拍工作方式，其各相通電的順序為ABC，通電控制脈沖必須嚴(yán)格地按照這一順序的分別控制A，B，C相的通電和斷電。 （2）步進電機的轉(zhuǎn)向

9、 通過前面介紹的步進電動機的原理我們已經(jīng)知道按給定的工作方式正序通電換相步進電機就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。例如四相步進電動機工作在單四拍方式，通電換相的正序是ABCD，電動機就正轉(zhuǎn)，如果按反序ADCB，電動機就反轉(zhuǎn)。 （3）步進電機的速度 如果給步進電動機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一個步距角，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一個步距角。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快，因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。 4.硬件電路設(shè)計驅(qū)動電路TMS320F28335M外部存儲器時鐘電路復(fù)位電路JTAG仿真接口圖2.系統(tǒng)控制硬件框圖4.1驅(qū)動電路4.1.1 驅(qū)動器的選擇 設(shè)計中，執(zhí)行元件選用的

10、是兩相混合步進電機，故可用CPLD和L298 兩芯片可方便地組成步進電動機控制驅(qū)動器，其中CPLD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。它們所組成的微處理器至雙橋式步進電動機的接口的優(yōu)點是，需要的元件很少，從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間小。并且通過軟件開發(fā)，可以簡化和減輕微型計算機的負(fù)擔(dān)。（1）L298芯片的介紹L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual Full-BridgeDriver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1

11、個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A 以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO 端口來提供模擬時序信號，。L298N 之接腳如圖9 所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連接來控制負(fù)載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進電機；input1input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。4.2時鐘電路TMS320F28335上有一個基于PLL電路的片上時鐘模塊，為CPU及外設(shè)提供時鐘有兩種方式：一種是用

12、外部的時鐘源，將其連接到XTAL1引腳上或者XCLKIN引腳上，XTAL2接地；另一種是使用振蕩器產(chǎn)生時鐘，用30MHz的晶體和兩個20PF的電容組成的電路分別連接到XTAL1和XTAL2引腳上，XCLKIN引腳接地。我們常用第二種來產(chǎn)生時鐘。此時鐘將通過一個內(nèi)部PLL鎖相環(huán)電路，進行倍頻。由于F28335的最大工作頻率是150M，所以倍頻值最大是5。其中倍頻值由PLLCR的低四位和PLLSTS的第7、8位來決定。時鐘電路如下：圖3.時鐘電路4.3復(fù)位電路設(shè)計TMS320F28335芯片具有復(fù)位操作功能。引腳RS 為復(fù)位電平輸入引腳，此引腳 輸入低電平時復(fù)位有效。RS 是不可屏蔽的外部中斷，并

13、具有最高優(yōu)先級，可以在上電 或芯片工作的任何時候進行復(fù)位，以便把TMS320F28335 芯片置為初始狀態(tài)。通常在 上電之后，系統(tǒng)的振蕩器處于不穩(wěn)定的起振工作階段，芯片也就處在未知狀態(tài)，因此， 在每次上電之后都應(yīng)使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，即使RS 引腳電平為低。 本次設(shè)計采用的復(fù)位電路由3.3V 電源接通DSP 的RST 引腳，達(dá)到復(fù)位的目的。圖4.復(fù)位電路4.4外部存儲器設(shè)計我們在芯片外擴展了64K*16 位的存儲器，存儲器占用的地址空間共有256K，因此片外存儲器實際占用的地址是0x-0x，其他的部分暫時沒有使用，如果有特殊需要，可以最多放置512K 的存儲器。片外擴展的存儲器型號是IS61LV

14、6416,這種器件可以按照8 位或16 位的方式使用，它的電平可以和通常的3.3V 器件連接。存儲器與DSP 連接的示意圖如下所示。圖5.存儲器與DSP連接的示意圖外擴的存儲器可以實現(xiàn)隨機訪問，這部分映射空間可以在DSP上電復(fù)位后的任何時候訪問，此時不需要對DSP做任何初始化。如果需要這部分存儲器在高速的狀態(tài)下運行，需要修改DSP的存儲器等待狀態(tài)。具體設(shè)置DSP的存儲器和數(shù)值可以參考TMX320F28335數(shù)據(jù)手冊。一般來說，為保證存儲器的穩(wěn)定讀寫，當(dāng)DSP在最高速狀態(tài)運行時，只需要1個軟件等待狀態(tài)。4.5JTAG 仿真接口JTAG 目標(biāo)器件通過專用的仿真端口支持仿真，此端口由仿真器直接訪問并

15、提供仿真功能。JTAG 接口電路為仿真器與微機的接口電路，便于系統(tǒng)進行在線調(diào)試。在仿真器和JTAG 目標(biāo)系統(tǒng)之間提供高質(zhì)量的信號是極為重要的，用戶必須提供正確的信號緩沖，測試時鐘輸入以及多處理器的內(nèi)部連接，以確保仿真器和目標(biāo)系統(tǒng)良好工作。為了便于DSP 寫入程序，設(shè)計了JTAG 仿真接口。如圖3-10 所示：電路與DSP 的TMS，TDI，TDO，TCK，EMU0，TRST ，EMU1 的引腳相連組成JTAG 仿真接口。TMS 引腳帶內(nèi)部上拉的JTAG 方式選擇，該串行控制輸入在TCK 的上升沿鎖存到TAP 控制器中。TDI 引腳帶內(nèi)部上拉JTAG 測試數(shù)據(jù)輸入，在TCK 的上升沿從TDI 輸

16、入的數(shù)據(jù)的鎖存到選定的寄存器中。TDO 為JTAG 掃描輸出，測試數(shù)據(jù)輸出，在TCK的下降沿，選定寄存器的內(nèi)容被移出到TDO 的引腳。TCK 為帶內(nèi)部上拉的JTAG 測試時鐘。EMU0 帶內(nèi)部上拉仿真器IO 引腳，當(dāng)TRST 引腳被拉高時，該引腳用作仿真器的中斷，通過JTAG 掃描可定義為IO 引腳；TRST 引腳帶內(nèi)部下拉的JTAG 的測試復(fù)位，當(dāng)TRST 拉高時，掃描控制系統(tǒng)的控制控制器運行，若該引腳未接或低電平時，控制器運行在功能方式，并且測試復(fù)位信號無效。EMU1 仿真器引腳，該引腳禁止所有的輸出，當(dāng)TRST 引腳拉高時，該引腳用作來自或到仿真器的中斷。相反，該引腳為OFF 引腳。圖6

17、. JTAG 仿真電路5程序設(shè)計5.1流程圖（1）中斷程序中斷服務(wù)程序開始根據(jù)標(biāo)志計數(shù)器加1或減1，從0-7 共8 拍送計數(shù)器相應(yīng)的控制字到步進電機驅(qū)動器中斷服務(wù)程序結(jié)束圖7中斷程序（2）主程序開始初始化：DSP 時鐘初始化中斷寄存器、定時器初始化ICETEK-CTR，步進電機使能鍵盤檢測鍵盤輸入“9”?關(guān)閉ICETEK-CTR 使用設(shè)備鍵盤輸入4 或6 控制方向? 退出計數(shù)器計數(shù)方向，反向送控制字圖8主程序5.2程序見附錄一6實驗現(xiàn)象可以看到顯示/控制模塊上的電機指針在轉(zhuǎn)動，使用“4”和“6”鍵可控制其轉(zhuǎn)動方向。7.總結(jié)本次設(shè)計主要研究基于DSP的步進電動機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和設(shè)計。論文的主要工

18、作總結(jié)如下：（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計：選取TI公司的TMS320F28335DSP作為控制核心。（2）在硬件控制系統(tǒng)方面，詳細(xì)討論步進電機的DSP控制方法，完成了電機驅(qū)動、按鍵控制、PWM產(chǎn)生以及各種外圍電路等單元的設(shè)計和調(diào)試，極大地簡化了系統(tǒng)組成，提高系統(tǒng)的運行速度。 （3）在軟件控制系統(tǒng)方面，詳細(xì)討論了該控制系統(tǒng)的組織體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了控制單元的軟件系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的電機控制等流程圖。 （4）步進電動機控制系統(tǒng)研究：本人認(rèn)真研究和分析了步進電動機控制系統(tǒng)的基本概念、原理，構(gòu)建了DSP控制系統(tǒng)，使我對步進電動機控制系統(tǒng)有了深入的理解。本論文針對DSP控制步進電動機采用了硬件分配脈沖的方式，改善控

19、制性能。8.參考文獻1 王念旭.DSP基礎(chǔ)和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計M .北京航空航天大學(xué)出版社，2002.附錄：#include "DSP2833x_Device.h" #include "DSP2833x_Examples.h" interrupt void cpu_timer0_isr(void);void Delay(unsigned int nTime);void Gpio_select(void);void error(int);void program_stop();void Gpio_PortA(void);void Gpio_PortB(void)

20、;void Gpio_PortF(void);void Gpio_PortDEG(void);char ConvertScanToChar(unsigned char cScanCode);#define T46uS0x0d40/鍵盤#define SCANCODE_0 0x70#define SCANCODE_1 0x69#define SCANCODE_2 0x72#define SCANCODE_3 0x7A#define SCANCODE_4 0x6B#define SCANCODE_5 0x73#define SCANCODE_6 0x74#define SCANCODE_7 0x6

21、C#define SCANCODE_8 0x75#define SCANCODE_9 0x7D/CTR REG#define CTRGR *(int *)0x#define CTRLCDCMDR *(int *)0x#define CTRKEY *(int *)0x#define CTRLCDCR *(int *)0x#define CTRCLKEY *(int *)0x#define CTRLCDLCR *(int *)0x#define CTRLCDRCR *(int *)0x#define CTRLA *(int *)0x#define CTRLR *(int *)0xunsigned

22、int uWork;int jishu=0;unsigned int uWork,nCount,nSpeedCount;unsigned int pwm18= 0x8e,0x8c,0x8d,0x89,0x8b,0x83,0x87,0x86 ;unsigned int pwm28= 0x86,0x87,0x83,0x8b,0x89,0x8d,0x8c,0x8e ;int nAddStep,nStep,uTimPrd0,nFlashLed;void main(void) int nCount=0; char cKey;unsigned int nScanCode;uTimPrd0=8; nSpee

23、dCount=0; nFlashLed=64;/初始化系統(tǒng)控制/ PLL，看門狗，使能化外圍時鐘/ This example function is found in the DSP281x_SysCtrl.c file. InitSysCtrl(); /初始化 GPIO: InitXintf16Gpio();/ 清除所有的中斷和初始化PIE向量表/ 禁用CUP中斷 DINT; InitPieCtrl(); / 禁用 CPU 中斷和清除所有 CPU 中斷標(biāo)志 IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieVectTable(); EALLOW; / 需要寫入EALLOW

24、 寄存器 PieVectTable.TINT0 = &cpu_timer0_isr; EDIS; / 禁止寫入受保護的T EALLOW 寄存器/ 初始化所有的外圍設(shè)備 InitCpuTimers(); #if (CPU_FRQ_150MHZ)/ 配置CPU定時器 ConfigCpuTimer(&CpuTimer0, 150, );#endif#if (CPU_FRQ_100MHZ) ConfigCpuTimer(&CpuTimer0, 100, );#endifCpuTimer0Regs.PRD.all=0xffff;CpuTimer0Regs.TPR.all=0;Cp

25、uTimer0Regs.TIM.all=0;CpuTimer0Regs.TPRH.all=0;CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS=1;CpuTimer0Regs.TCR.bit.SOFT=1;CpuTimer0Regs.TCR.bit.FREE=1;CpuTimer0Regs.TCR.bit.TRB=1;CpuTimer0Regs.TCR.bit.TIE=1;CpuTimer0.InterruptCount=0;StartCpuTimer0();/ 啟用中斷/啟用 CPU INT1 連接到 CPU 定時器 0 IER |= M_INT1; PieCtrlRegs.PIEIER1

26、.bit.INTx7 = 1; EINT; / 使能化全局中斷 INTM ERTM; /使能化實時中斷DBGM nStep=0; nAddStep=1; CTRGR=0x80;/ 初始化ICETEK-CTR CTRGR=0x0; CTRGR=0x80; CTRLR=0;/ 關(guān)閉東西方向的交通燈 CTRLR=0x40;/ 關(guān)閉南北方向的交通燈 CTRLR=0xc2;/開步進電機 uWork=CTRCLKEY; StartCpuTimer0(); while (1) if ( nCount=0 )nScanCode=CTRKEY;nScanCode&=0x0ff;uWork=CTRCLKE

27、Y;if ( nScanCode!=0 )if ( nScanCode=9 )break;elsecKey=nScanCode;cKey=nScanCode;if ( cKey!=0 )switch ( cKey )case 4: nAddStep=1; break; /正向case 6: nAddStep=-1; break; /反向case 2: if ( uTimPrd0>2 )uTimPrd0-; break; /增速case 8: if ( uTimPrd0<16 )uTimPrd0+; break; /減速 interrupt void cpu_timer0_isr(void) CpuTimer0.InterruptCount+; /從組1中接收更多的中斷 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; CpuT