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自动化论文基于DSP的步进电机控制系统
摘要
本文介绍了以典型电机微控制器TMS320LF2407芯片为控制核心的步进电机控制系统，阐述了如何利用TMS320LF2407实现电机转向、速度控制，并给出了相应系统控制策略。
简述了步进电机的驱动控制和DSP的PWM脉宽调制原理，详细阐述了DSP实现步进电机的加减速控制问题。
步进电机是一种将脉冲信号转换为相应角位移的执行元件，DSP是快速的微处理器，将两者优点结合起来，就能在某些控制中得心应手。
鉴于此，本文提出了基于DSP的步进电机控制系统的设计方案。
包括其硬件设计和软件设计。
在软件设计中给出了主要控制程序，达到对步进电机转向、转速的控制，如正转、反转、加速、减速等。
使用DSP最明显的优点在于提高了系统的可靠性，并降低了整个系统的成本。
实验证明，此驱动系统简化了电路，提高了系统控制性能。
关键词：
步进电机；DSP；控制系统；TMS320LF2407
DesignofControlSystemofStepMotor
BasedonDSPPlatform
Abstract
ThecontrolsystemisintroducesapresentedtocontrolthestepmotorusingtypicalcontrollerTMS320LF2407，anditdescribeshowaturningandspeedcontrolledmotordrivecanbeimplementedandacorrespondingcontrollingstrategyisputforward．IntroducethedrivecontrolofstepmotorandthePWMprincipleofDSP，adetaileddiscussonaccelerateanddeceleratecontrolofstepmotoralsoinclude．
Stepmotorisaactuatorthatcanconvertthepulsesignaltodegreedisplacement；ontheotherhand，DSPhashighspeedoperationcapacity．Ifwecouldcombinethesetwoelementstogether，wewouldgetexcellentoutcome．ThecontrolsystemisintroducesdesignaboutsystemDSP-basedinstepmotordriver，includingitshardwareandsoftware．Themaincontrolprogramofthesystemsoftwarewasprovided，whichcancontroltheturningandspeedofthestepmotor，suchaspositiverevolutions，counterrevolutions，accelerateanddecelerateact．ByusingDSP，themainadvantageliesintheimprovementofsystemreliabilityandreductionofoverallsystemcost．Thisdriversystem’sapplicationhaveprovedthatitsimplifiedthecircuit，improvedthesystemcharacteristic．
Keywords：
stepmotor；DSP；ControlSystem；TMS320LF2407
目 录
第一章 绪论
1.1 引言
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。
它的位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。
每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角。
根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，从而使电机旋转。
步进电机具有步进数可控、运行平稳、价格便宜的优点，在加速器控制系统中的应用很广。
传统的步进电机一般可分为永磁式步进电动机（PMStepMotor），反应式步进电动机（VRStepMotor）和混合式步进电动机（HybridStepMotor）三种。
在数字化电机控制系统产生之前，要想获得高性能的步进电机驱动要么是采用昂贵、难维护的直流电机配便宜的控制装置，要么就是使用便宜的交流电机配昂贵、复杂的控制装置。
基于DSP的数字化电机控制的出现改变了这一状况，由于DSP强大的运算能力，它可以实时地实现一些先进的控制算法，获得高性能的电机驱动控制。
数字化电机控制的优点正是由于数字化的信号和信号处理所带来的，和模拟控制相比，它具有互联方便，稳定性好，便于大规模集成，可以构成复杂的系统，容易修改，便于测试、调试和大规模生产等优点。
数字化电机控制技术包括两个组成部分，现代电机控制理论和数字信号处理，其中数字信号处理又包括数字信号处理技术和数字信号处理器技术。
数字化电机控制的发展和这几个方面的进展是密不可分的。
现代电机控制理论以矢量控制理论为代表，还有近年来得到快速发展的直接转矩控制理论等，这些高性能的控制方案需要进行大量的实时运算，用模拟器件的硬件方案来实现相当困难，难以实用化。
只是在具有强大运算能力的控制器如DSP等价格下降，性能提高之后，数字化的高性能控制方案才开始大量步入实用领域。
1.2 选题背景
1.2.1 数字化电机控制
数字化电机控制是电机控制领域近年来新兴起的热点，这种提法是相对于传统基于模拟电路的电机控制而言的，它包括两重含义，一是电机模型的数字化表述，二是信号处理及控制算法的数字化。
它的发展除和电机控制理论的发展有关外，还得益于大规模集成电路的发展，使它有可能得以实现。
和传统电机控制相比较，数字化电机控制具有如下的特点：
第一，可以构成经济节能，高性能的控制系统，符合当前环保节能的潮流。
由于各类电机消耗了世界70%左右的电力，所以，在能源普遍短缺的今天，高性能的电机控制方案是大势所趋。
普通电机控制方式效率很低，使用数字化的电机控制后，才能实现许多较复杂但性能好的控制方案，如矢量控制等，所以数字化电机控制已受到了人们日益增加的关注；
第二，可降低控制系统成本，提高竞争力。
由于各种电机控制的具体应用中除性能外往往对成本还有要求，比如在家电行业，而配合运算能力强的芯片如DSP等实现的数字化电机控制可实现无位置、速度传感器的电机控制方案，以软件上的支出代替了硬件成本，从而使总成本得到了控制；
第三，灵活性。
这不光体现在研发、调试中对算法及参数的调整比较容易，还表现在对环境、电机运行条件、参数变化或故障的适应性上。
当前的各种自适应算法，神经网络，人工智能方案等都是为了达到这个目的。
同时，由于自1960年代以来，随计算机和信息学科的飞速发展数字信号处理技术也得到了长足的发展，使用这些成熟的技术对信号数字化处理的灵活性也是模拟方案所难以达到的；
第四，升级简单。
可以根据需要通过改变软件算法和控制方便地进行系统的升级以最好的满足用户需要。
由于一般数字化电机控制所采用的算法都需要大量实时的运算，普通的单片机只够进行V/F控制这样的运算，所以，它需要一颗强劲的“芯”来实现，这也是它只是在近年来才得到快速发展的主要原因，而DSP就是这样一颗强劲的“芯”。
1.2.2 数字信号处理器DSP发展和现状
DSP是DigitalSignalProcessor的缩写，DSP在70年代末、80年代初产生后起初并不显眼，主要应用于一些特定的数字信号处理密集的领域如军事的声纳和雷达、监测和监听设备，以及气象卫星、地震监测器等。
虽受到个人计算机发展光辉的遮掩，它一直在幕后悄悄发展着。
80年代后期开发出较通用产品后，逐步进入各个领域。
近年来，随着通讯领域的红火，个人计算机的普及以及家用电器的发展，DSP更是从幕后走到了台前，各种应用如手机、MODEM、硬盘、声卡、显卡、DVD.VCD、可视电话、数字电视、数字相机、导弹、高保真音响、洗衣机、空调、语音识别、游戏等等数不胜数，大到上天入地，小到我们每个人的身边，现在是哪儿都有它的踪迹了。
如果说CPU是PC时代的技术核心，则说DSP是后PC时代的技术核心毫不为过。
由于具有超强的数字信号处理能力和合理的性价比，二十几年时间，DSP的发展日益迅猛，应用日益广泛。
现在，DSP已经成为计算机网络、无线通讯、信息家电、电子产品、图形处理、视频会议、数字音频广播等领域的核心。
业内人士预言：
DSP将是未来发展最快的电子器件，是电子产品更新换代的决定性因素。
DSP芯片能够高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。
目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的市场潜力。
据世界半导体贸易统计组织（WSTS）发布的统计和预测报告显示：
1996～2005年，全球DSP市场一直保持稳步增长，2005年增长率为35％；另据CCID统计：
2005年中国DSP增长率超过40%，销售量达到13亿块。
据市场调查公司ICE统计，1998年DSP市场达33.4亿美元，其中通信占48%，计算机/MODEM占30%，硬盘12%，消费类产品5%，军用航空航天5%，典型应用产品和市场包括：
电视会议、文件成像、可视电话、数字蜂窝电话、数字设备、电机调速等，一些家用电器如空调、洗衣机、电冰箱等为了节能和静音也开始采用DSP控制。
DSP按数据格式分可分为定点DSP和浮点DSP两种，也可按用途分为通用型DSP和专用型DSP，近年来德州仪器（TI）和美国模拟器件公司（AnalogDevice,简称AD）都推出了专门针对电机控制领域的专用型DSP系列，TI是TMS320-2XX系列，AD则是ADMC系列，这些芯片都是定点DSP，具有普通定点DSP的运算能力和单片机般的外围设备，使得它们成为用于数字化电机控制的最佳选择。
当前，DSP芯片还在快速发展中，它的处理速度正随着时间的前进而不断提高，从1982年的5MIPS（每秒百万指令）到1997年的100MIPS，再到现在的2000MIPS（多DSP单一化），预计2007年将达到320000MIPS。
DSP的价格则正走着一条相反的道路，据DSP最大的生产厂家TI公司的历史价格统计，12年来每MIPS的价格己从200美元降到了一个美元，价格的下降导致应用领域的扩大，而应用的扩大也引起价格的下降，形成了一种良性的循环。
技术的高速发展引发了信息产业革命，以计算机技术、通信技术为核心的信息技术正在以前所未有的速度改变着人们的生活和工作方式。
数字信号处理是信息技术中的一个核心问题。
实现数字信号处理的核心器件是数字信号处理器（以后简称为DSP）。
数字化电机控制包括电机模型的数字化和信号处理的数字化，而DSP的运算速度则是这样的实时一控制所必须的。
为实现上述步进电机控制和交流电机控制融合的想法，由于其中有较多实时数学运算的要求，因此考虑使用德州仪器（TI）C2000系列DSP中的TMS320F2407来实现。
1.3 课题的背景与意义及本文主要工作
传统的步进电机控制系统，无论是开环还是闭环，都是不可能达到最佳控制的。
不仅性价比低，维护麻烦，升级困难，而且还难以保证精确定位，速度波动，高速时有失步现象，低效率，噪音大。
相对于传统的模拟控制方式，数字式控制方式有前者难以比拟的优点，见表1-1：
表1-1 控制方式比较
比较因素
模拟方式
数字方式
修改设计的灵活性
修改硬件设计，或调整硬件参数
改变软件设置
精度
元器件精度
A/D的位数和计算机字长、算法
可靠性和可重复性
受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大
不受这些因素的影响
大规模集成
虽已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高
DSP器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性价比高
实时性
除开电路引入的延时外，处理是实时的
由计算机的处理速度决定
高频信号的处理
可以处理包括微波毫米波乃至光波信号
受S/H、A/D和处理速度的限制
现在的数控式步进电机控制系统主要是以微控制器为核心的。
微控制器（MicroControllerUnit，简称MCU），即常说的单片机（SingleChipComputer），它的主要结构除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器，定时器，串/并口，有的还有A/D，D/A。
MCU与DSP的主要参数及参考价格如下表：
表1-2 MCU与DSP的比较
MCU
DSP
低档
高档
低档
高档
指令周期（ns）
600
40
50
5
乘加时间（ns）
1900
80
50
5
US$/MIPS
1.5
0.5
0.15
0.1
可见，使用DSP的控制系统远比用MCU的控制系统的性价比高。
如果设计一种以数字信号处理器DSP为核心的控制系统，既可以改进传统控制方法的弊端，又可保持步进电机系统性价比高的优点，从理论上说是可行的。
DSP用于电机控制有很多好处：
（1）可执行高级运算，减少力矩纹波，从而实现低振动、长寿命；
（2）高级运算使谐波减小，很容易满足国家要求，同时降低滤波器成本；
（3）提供无传感器运算，省去位置和速度传感器：
（4）实时产生平滑的、近乎完美的参考模型，获得良好的控制性能；
（5）控制逆变器，产生高精度PWM输出；
（6）提供单片机控制系统。
针对以上问题和想法，本文进行了如下的工作：
1．对步进电机的控制策略进行了分析研究。
传统的步进电机控制方式虽然存在许多的问题，但它是被最广泛采用的步进电机控制，有必要对它进行进一步的分析。
2．在对传统的电机控制方案进行分析对比的基础上结合数字化电机控制理论，提出了基于DSP的步进电机控制方案。
为解决传统步进电机控制中存在的转矩波动大，失步等等问题，同时又要保留定位精确，性价比高的优点，又由于具体实现需要大量实时的运算，所以经考虑后采用DSP来实现。
3．在对几种控制用DSP芯片进行对比的基础上，分析了TMS320LF2407DSP的体系结构，详细说明了TMS320LF2407的选用能恰当地进行实验设计。
4．独立完成了基于TI公司的DSP芯片TMS320LF2407的控制方案的全套软硬件设计和编制，其中包括驱动器的设计，DSP程序编制和控制等人机界面的编制。
1.4 论文的主要章节安排
本文针对传统步进电机控制中存在的一些问题，提出了基于DSP的解决方案。
除了第一章的文献综述、课题意义等内容外，本文其余四章内容分别安排如下：
第二章对传统步进电机进行了研究，讲了步进电机的发展和特点，然后分别说明了反应式和永磁式步进电机的工作原理，最后简述了步进电机的一般驱动原理。
第三章讨论了数字化电机控制技术和DSP的关系，并对DSP的发展、特点和应用进行了概括性的介绍，最后对数字化电机控制和DSP结合的前景作了展望。
第四章进一步深入说明了DSP芯片在电机控制系统中的应用，通过比较几种主要用于控制系统的DSP——TMS320LF2407A、ADMC401和DSP56F807的特点，选择出最合适的TMS320C24x作下一章的系统设计，最后介绍了TMS320C24x芯片的结构特点。
第五章首先了解DSP系统的设计流程，进行控制系统的硬件结构设计，然后介绍了软件设计平台并编写控制程序，最后对系统调试修改。
第二章 步进电机原理
2.1 引言
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
2.2 步进电机的发展和应用
早在19世纪就出现了步进电动机，当时它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
20世纪初期，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。
到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。
随着嵌入式系统的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。
不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业，只要需要把一个物体从一个地方移动到另一位置，步进电机就一定能派上用场。
原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。
计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。
因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。
当前，随应用领域的扩展和用户应用要求的提高，步进电机的发展有以下几种趋势：
第一是步进电机本体的发展。
如转矩／体积比的提高。
许多场合都对电机的体积大小有严格的要求而转矩又不能下降，比如在办公设备中应用的一些步进电机，或者是出于性价比的考虑有此要求。
新材料的选用和设计上的优化是提高此项性能的好方法。
步进电机性能、价格的平衡也是需要考虑的，五相电机性能好但价格较高，两相电机步距角大但价格便宜，三相电机性能、价格介于它们之间，也许会是未来主要的选用趋势；
第二是驱动技术的发展。
高压驱动配合小电感的步进电机将是未来的趋势。
步进电机很大的一个弱点就是运行频带窄，在中高频时转矩下降很快，而现在很多应用场合除定位要求外也要求快速的中间运行过程。
大电感的步进电机在一定驱动电压下电流上升慢，释放也慢，导致高频运行时电流在导通期间升不到设定值引起转矩下降。
同样，低的驱动电压在高频时在扣除反电势后，所剩的值不足以提供足够的电流变化率，也使电流达不到设定值引起转矩下降，这样的下降是十分明显的。
高压驱动配合小电感的步进电机则可大大拓展电机的有效运行范围。
当前高压驱动的主要缺点：
一是可靠性有待提高，二是电机发热严重。
通过铁芯材料的选用和电机结构的重新设计应可以缓和或解决这个问题。
第三是控制技术的发展。
如为解决步进电机振荡问题及提高输出转矩提出的电子阻尼技术（electronicdamping）以及无位置检测的闭环控制等等，其中无位置检测的闭环控制如能实现，将可大大提高步进电机的性能。
步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。
它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。
早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。
随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。
比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。
步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。
除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
2.3 步进电机的特点
步进电机是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。
转子运动的速率仅取决于驱动脉冲频率，转子运动的总位移也仅取决于总的驱动脉冲数，步距精密准确；而且不易受电压、电流的波动，脉冲波形状，自身和环境温度变化等干扰因素的影响。
在一定的频率范围内，启动、停止、正转、反转等运动方式的改变，都不会产生失步现象。
步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动的形式。
步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。
由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式转动，转速随着脉冲频率的增高而增大。
步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。
步进电机与直流或交流电机相比有以下优点：
（1） 由于步进电机的位移量与输入的脉冲数严格成比例，不会引起积累误差。
因此。
容易实现精确的位置和速度控制；
（2） 当采用开环控制时不需要可逆计数器、位置和速度发生器以及反馈回路等部件；
（3） 当采用闭环控制时能实现高精度、高频、快速和对负载有较强适应能力的控制；
（4） 步进电机输出的是离散量，这种离散量既可用作特定的指示，也可用作驱动。
因此，当将它与微机结合使用时，可以方便地构成全数字化的控制系统，避免了模拟式控制系统所具有的精度限制和漂移误差等固有缺点。
和步进电机相比，闭环控制的伺服电机有以下几点优势：
（1） 实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；
（2） 高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；
（3） 抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；
（4） 低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。
适用于有高速响应要求的场合；
（5） 电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；
（6） 发热和噪音明显降低。
2.4 步进电机的工作原理
2.4.1 步进电机种类
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VRStepMotor）、永磁式步进电机（PMStepMotor）、混合式步进电机（HybridStepMotor）和单相式步进电机等。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5°，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰；
永磁式步进电动机类似永磁转子的同步电机，转子上装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°；
混合式步进电机是指这种步进电机混合了反应式和永磁式的优点。
它最初是作为一种低速驱动用的交流同步电动机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。
它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，其步距角远小于永磁式步进电动机，也可看成是一种极对数很
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