基于DSP實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

引 言

　　DSP（Digital Signal Processor）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其采用先進(jìn)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，其內(nèi)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)，并且具有事件模塊管理功能及快速的中斷處理功能，其以高性能及日趨低價位的特點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于信息處理、控制系統(tǒng)中。TMS320LF2407芯片作為一款定點(diǎn)DSP控制器尤為適合于控制系統(tǒng)，其所包含的事件管理模塊，可以極為方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字化控制。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種常見的執(zhí)行元件，其接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)電機(jī)具有開環(huán)控制無累計(jì)誤差的優(yōu)點(diǎn)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的是一種基于TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　整個系統(tǒng)分為五個部分組成：DSP中央控制器TMS320LF2407，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動，光電編碼器，鍵盤及液晶顯示部分，以及整個系統(tǒng)的外圍電源電路及看門狗復(fù)位電路組成，如圖1所示。在這個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由鍵盤設(shè)定給定轉(zhuǎn)速（位置），通過中央控制器TMS320LF2407來產(chǎn)生PWM脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（位置），可以采用光電編碼器對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（位置）進(jìn)行采樣檢測實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制無需轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(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

　　本設(shè)計(jì)采用的是55BF03型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。此設(shè)計(jì)是用中央控制器TMS320LF2407產(chǎn)生的PWM環(huán)形脈沖信號經(jīng)過信號分配以及功率放大傳送給步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的角位置或直線位移控制，所以此步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由以下幾部分組成，脈沖信號，信號分配，功率放大，步進(jìn)電機(jī)及負(fù)載，如下圖2所示。在這個設(shè)計(jì)中基于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面的考慮，在這里設(shè)計(jì)成產(chǎn)生一個三相六拍信號來進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制，通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA，步距角為1.5°,功率放大采用的是典型的單壓驅(qū)動方式。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方框圖

　　光電編碼器的選擇，可以選擇增量式編碼器或絕對值編碼器，前者適用于速度檢測，后者適用于位置檢測。編碼器的A、B信號與正交解碼脈沖單元QEP相對應(yīng)的引腳連接，可以檢測出步進(jìn)電機(jī)的速度（位置），并且能夠判斷出步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

　　在顯示方面，由于液晶顯示器（LCD）點(diǎn)陣式或圖形式不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線和漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、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法比擬的優(yōu)點(diǎn)，用途十分廣泛。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的是HY-12864圖形液晶顯示器，它內(nèi)置兩塊HD61202液晶顯示控制驅(qū)動器，此屏幕的最大顯示范圍為128＊64。HY-12864引出的以下控制信號：讀寫信號（R/W）、數(shù)據(jù)或指令信號（RS）、左、右屏片選信號（CS1、CS2）、使能信號（E）及數(shù)據(jù)總線（DB0——DB7），由TMS320LF2407的I/O口直接控制，連接原理圖如下圖3所示。[!--empirenews.page--]

圖3 液晶顯示HY-12864與TMS320LF2407的硬件連接圖

2 軟件設(shè)計(jì)

　　在整個軟件設(shè)計(jì)中，共包含主程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序、液晶顯示驅(qū)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序及編碼器檢測換算程序。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序設(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16位比較寄存器CMPRx（x=4、5、6），每個比較器各有兩個比較PWM輸出引腳，產(chǎn)生3路PWM輸出信號，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(diào)制中需要周期一定的載波，這時用到了定時器3，它以內(nèi)部CPU時鐘作為輸入，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)生的脈沖為一個環(huán)形可變脈沖，這時由T3PR定時周期下溢和上溢時產(chǎn)生中斷，刷新周期值，進(jìn)行PWM調(diào)整，計(jì)算方式如下：

最后，此設(shè)計(jì)中把給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成相對應(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得到定時器3的T3PR的周期值，對應(yīng)不同頻率的PWM脈沖輸出，如圖4，電機(jī)運(yùn)行中斷程序框圖。

圖4 電機(jī)運(yùn)行中斷程序框圖[!--empirenews.page--]

　　光電編碼器的檢測利用正交解碼脈沖單元QEP，A、B分別與正交解碼脈沖單元的兩個通道QEP1和QEP2相連。正交解碼脈沖單元QEP具有方向檢測功能，它的方向檢測邏輯辨明兩個序列中哪一個是先導(dǎo)序列，接著可以產(chǎn)生方向信號作為所選定時器的方向輸入，如果QEP1輸入的是先導(dǎo)序列，則所選的定時器增計(jì)數(shù);反之QEP2輸入的是先導(dǎo)序列，則所選的定時器減計(jì)數(shù)。注意兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交解碼脈沖單元計(jì)數(shù)，因此產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍。在本系統(tǒng)中把定時器2用為作為計(jì)數(shù)器，它以正交解碼脈沖單元產(chǎn)生的時鐘作為輸入，與正交解碼脈沖單元QEP1、2共同作用，對編碼器信號進(jìn)行檢測，換算成所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（位置）信號。

　　本文所介紹的步進(jìn)電機(jī)控制方案，其創(chuàng)新點(diǎn)在于利用TMS320LF2407的事件管理模塊，可以簡單有效的控制步進(jìn)電機(jī)的速度（位置）。系統(tǒng)中并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的人機(jī)界面，進(jìn)行相應(yīng)變量的顯示、操作，同時該系統(tǒng)留有一定的資源可以方便系統(tǒng)的擴(kuò)展。