基于TMS320F28335的步进电机的控制.docx

1、基于TMS320F28335的步进电机的控制DSP控制器原理及应用课程报告基于TMS320F28335的步进电机控制小组成员：张东海指导教师：陈刚副教授2016年12月成员学号导师分工建议成绩张东海3116312053陈刚副教授摘录相关背景知识；原理设计；步进电机程序编写调试；实验报告排版等优 摘要电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，微处理器已经广泛用于电动机控制领域。由于处理数据量的增加和对实时性的要求不断提高，传统的基于单片机的控制策略越来越不能满足需要，随着数字信号处理器（ DSP）的迅速

2、发展及性价比的不断提高，数字信号处理器应用于电动机控制领域已经成为一种趋势。因此研究 DSP 在控制系统中的应用也有重要的意义。 本文首先介绍了步进电动机控制发展现状，并结合广泛的市场调研论证了用 DSP芯片进行步进电动机控制的必要性和可行性，并在介绍 DSP 芯片的主要结构特点及分类的基础上，针对电动机控制系统进行了控制类 DSP 芯片的选型，并针对所选用的芯片 TMS320LF2407A 的结构和特征进行了详细说明。对混合步进电机驱动器进行了讨论和选择，介绍了步进电动机的 DSP 控制原理及方法，设计了一些 DSP 的外围电路，例如时钟电路，复位电路，外部存储器， JTAG 仿真等等设计，

3、并给出了系统的基本框架，最后在系统软件方面介绍了 DSP 软件设计的基本思想，并给出了主程序及初始化程序和中断程序的流程图和主要程序。 本次设计中采用的 DSP 控制步进电动机的原理和方法可以用来进一步的开发基于DSP 的多电动机控制系统，设计中 DSP 的外围电路例如复位电路，外部存储器， JTAG仿真等等设计可以直接使用在多电动机控制系统中，而 DSP 软件设计的基本思想为设计多电动机控制系统软件系统奠定了基础。关键词： DSP;电动机控制；步进电动机；数字信号处理器；控制系统 一 绪论课题提出的背景随着工业电气传动、自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重

4、要。在以往的工业控制系统中，多采用传统上的单片机系统加以控制，这种控制系统性能较为稳定。但是， 传统的单片机的指令系统较复杂，指令多需要2 到 3 个指令周期才能完成，而且在硬件结构上，单片机的程序存储器和数据存储器在同一空间、同一时刻只能访问指令或数据。单片机的结构和复杂的指令系统造成其运算速度较慢、处理能力有限，尤其对于运用微处理器控制的多电动机控制系统，由于实时性和精度要求很高，处理的数据量和运算量较大，对数字信号处理器（ Digital SignalProcessor，简称 DSP）的依赖越来越大。从 20 世纪 60 年代数字信号处理理论的崛起，到 20 世纪 80 年代世界上第一个

5、单片可编程 DSP 芯片产生以来，数字信号处理器的发展迅猛异常， DSP 的应用范围也越来越广。从运算速度来看，指令周期己经从 20 世纪 80 年代初的 400ns 降低到 40ns， DSP内部关键的乘法器部件从占模区的 40%左右下降到 5%以下，片内 RAM 增加了一个数量级以上，从制造工艺上来看， 80 年代采用 NMOS 工艺，而现在普遍采用微米 CMOS工艺。 DSP 芯片的引脚数量从 80 年代的最多 64 个增加到现在的 200 个以上，引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加，此外随着 DSP 芯片的发展， DSP 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。十多年前，数字

6、信号处理器件以其高速、低功耗和高集成度在军事、航天等领域广泛应用，但 DSP 曾被看作是仅适用于要求极高的应用领域，如雷达信号处理或医疗电子设备中的昂贵器件。随着半导体工艺尤其是高密度CMOS 工艺的发展和进步，近几年来，这类芯片的价格日益下降，而性能却不断提高，软件和开发工具越来越多，越来越好，应用范围也日益广泛， DSP 以不可阻挡的趋势，进入了工业控制领域。随着 DSP 器件的价格日益下降，性能不断提高，采用 DSP 器件代替传统单片机来控制电动机已成为电动机控制的发展趋势。而在中国，手机、 DVD 等数字消费产品是应用 DSP 的主要方向，应用于电动机控制的研究刚刚起步，集中在一些院校

7、和研究所，还没有实用化的产品。但是随着国家的发展，能源和环保的要求越来越高， DSP 芯片必然会得到广泛的应用。目前工业控制对 DSP 的依赖越来越多，而 DSP 自身又正在迅猛发展，并逐步取代传统的单片机系统进入工业控制领域，国内对 DSP 应用于工业控制的研究也只是停留在实验室的水平，并没有成型的产品推向市场，电动机是工业控制系统中的主要动力源，而工业控制中广泛采用的是多电动机的协调动作，多电动机控制应用十分广泛，从工业自动化生产线到机床的多轴控制都离不开多电动机控制系统，本课题就是在这种背景下提出的，目的是开发出基于 DSP 的步进电动机控制系统。DSP 的发展及应用数字信号处理器（ D

8、SP）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。世界上第一个单片 DSP 芯片是1978年AMI 公司发布的 52811，1979 年美国 INTEL 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代 DSP 芯片所必须有的单周期乘法器。 1980 年，日本 NEC 公司推出的 uPD7720 是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片。在这之后，最成功的 DSP 芯片当数美国德州仪器公司（ Texas Instruments，简称 TI）的一系列产品。 TI 公司在 1982 年成功推出其第一代 D

9、SP 芯片 TMS3210 及其系列产品TMS32011， TMS320C10C14C15C16C17 等，之后相继推出其第二代 DSP 芯片TMS32020 ， TMS320C25C26C28，第三代 DSP 芯片 TMS320C30C31C32，第四代 DSP 芯片 TMS320C40C44，第五代 DSP 芯片 TMS320C5XC54X，第二代 DSP芯片的改进型 TMS320C2XX，集多片 DSP 芯片于一体的高性能 DSP 芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代 DSP 芯片 TMS320C62XC67X 等。 TI 常用的 DSP 芯片归纳为三大系列，即 TMS320C

10、2000 系列（包括 TMS320C2XC2XX）、 TMS320C5000 系列包括 TMS 320CSXC54XCSSX）、 TMS320C6000 系列（包括 TMS320C62XC67X） 。目前， TI 公司的一系列 DSP 产品己经成为当今世界上最有影响力的 DSP 芯片。 TI公司也成为世界上最大的 DSP 芯片供应商，其 DSP 市场份额占全世界份额近 50 % 。 1980 年以来， DSP 芯片得到了突飞猛进的发展， DSP 芯片的应用越来越广泛， DSP芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在近 20 年时间里， DSP 芯片已经在信

11、号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前， DSP 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP 芯片的应用主要有：（ 1）信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、波形产生等；（ 2）通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；（ 3）语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等；（ 4）图形图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等；（ 5）军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导

12、弹制导等；（ 6）仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；（ 7）自动控制如电动机控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；（ 8）医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；（ 9）家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、数字电视等。随着 DSP 芯片性能价格比的不断提高，可以预见 DSP 芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。本课题主要工作步进电机作为一种电脉冲角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。但是由于受制造工艺的影响，步进电机的步距角一般较大，而且还存在低频振动，在低频时有明

13、显的“步进” 感应。这些缺点使得步进电机一般只能应用在一些要求较低的场合。随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，各种新颖的步进电机驱动技术被提出用来改善步进电机综合使用性能。步进电机驱动技术的发展也促进了步进电机应用范围不断扩展。本论文经过认真论证分析，确定了所选用的应用于电动机控制系统的 DSP 芯片，最终选用了 TI 公司 TMS320LF2407A 运动控制芯片，开发了基于此芯片的步进电动机的控制系统， 论文中主要讨论了 DSP 在步进电动机控制系统的作用以及 DSP 控制步进电动机的方法，在步进电动机的控制系统又分为硬件和软件两大部分：（ 1）硬件部分主要介绍了 DSP

14、控制步进电动机的主要硬件电路以及各种保护电路。（ 2）软件部分完成了主要程序的的设计。本论文五个章节分别为：第 1 章为绪论部分，介绍了 DSP 发展前景及步进电动机特点。第 2 章介绍了步进电动机系统和步进电动机的驱动系统，并选择二相混合式电动机作为执行元件并选择 L297+L298 组成驱动系统。第3章为系统硬件电路设计。根据系统的要求，选取并介绍 TI公司生产的 TMS320F28335作为控制核心，完成电机控制系统硬件设计，包括 DSP 控制电路和保护电路。第 4 章为控制系统软件部分的设计。第 5 章为结果分析。第 6章为报告总结。二 步进电动机的选择及其驱动控制步进电动机概述 步进

15、电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Stepmotor或Steppingmotor等等。步进电动机工作的机理是基于最基本的电磁铁作用，随着永磁材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电动机在众多领域的应用。在近 30 年间，步进电动机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机己经能与直流电动机、异步电动机和同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。当然步进电动机也有一些自身的缺点，主要表现在： 步进电动机带惯性负载的能力较差；由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化；不能直接使用普通的交直流电源驱动。自上世纪中

16、叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用其开环控制的特点。近几十年来，步进电动机在 OA 机器（ OfficeAutomation ）、FA 机器（ Factory Automation） 和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而被广泛使用步进电动机分类步进电机分为三大类：（ 1）反应式步进电机（ Variable Reluctance，简称 VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。（ 2） 永磁式步进电机（ Permanent M

17、agnet，简称 PM）永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（ 相比反应式）； 但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。（ 3）混合式步进电机（ Hybrid，简称 HF3 ）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振

18、动小。混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机，这种步进电动机的应用最广。步进电机的步距角步距角计算公式如下：式中：步进电动机的性能指标（ 1）步距角精度 步距角精度是指理论步距角与实测步距角之差，以分（ ） 表示。步进电机的静态步进误差一般在 10 以内，在实际使用中，常以累计误差表示步距角精度，但是步进电机的步距角累积误差在 360 0 后清零。（ 2）静态矩角特性 在空载状态下，给步进电机通电，则转子齿的中心线和定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出，转子处在静止状态。当电机轴上外加一个负载转矩后，转子则要产生一个抗衡负载的电磁力矩，此时转子相对于定子按一定方向转动一个角度 d ，

19、该角度称之为失调角。失调角 d 和电磁转矩Tj （静态转矩）之间满足Tj Tj max sin d （ 2-2）式中：Tj 最大静转矩； d 失调角， d 2/m.（ m 为一个通电顺序内的拍数）。静态转矩越大，自锁力越大，静态误差越小。当失调角 d 在 之间，如果去掉外载，则转子仍然能回到初始稳定平衡位置。另外，采用不同的运行方式和增加步进电机相数可以提高最大启动转矩。最大负载力矩不能超过启动转矩，否则电机不能启动。（ 3）动态转矩和矩频特性在不同频率下步进电机产生的转矩，称为动态转矩。随着输入脉冲的增加，步进电机的转矩减小。图 2-1 是步进电机的矩频特性曲线。（ 4）启动频率和惯性特性步

20、进电机从静止状态突然启动而不失步的频率，称之为启动频率。 它反映了电机跟踪的快速性。若控制脉冲频率大于启动频率，则电机会出现失步，不能正常工作。目前，步进电机的启动频率为 1000-3000Hz 。电机启动频率与转子和负载的惯性有关。图 2-2是步进电机的惯频特性曲线。从图 2-2 可知，惯性越大，启动频率越小。（ 5）运行频率运行频率是指电机在额定状态下逐渐升速，达到不失步的工作频率。一般情况下，连续运行频率远远大于启动频率。因此，步进电机在以较低的启动频率启动后，应采用升速策略达到运行频率；同样，采用降速策略从运行频率降到启动频率以下，再停止控制脉冲。步进电机的相数这是指电机内部的线圈组数

21、，目前常用的有二相、 三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.90 1.80 、 三相的为 0.750 1.50 等、五相的为 0.360 0.720在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。步进电动机的选择混合式步进电动机是一种十分流行的步进电动机。它既有反应式步进电动机的高分辨率，每转步数比较多的特点，又有永磁式步进电动机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称混合式。它是一种同步电动机，既可以用作同步电动机进行速度控制，又可以

22、用作步进电动机进行位置开环控制。从步进电动机的三种基本结构形式看出，永磁式步进电机和混合式步进电机转子上存在永久磁铁， 由电机的互逆原理可知，它们不仅可以用作电动机同时也可作为发电机来用，但是反应式步进电机却只能用作电动机。而对于永磁式步进电机和混合式步进电机来说，在工业上获得广泛应用的是混合式步进电机，因此我们选用混合式步进电机作为执行元件。与反应式步进电动机相比，混合式步进电动机具有如下一些特点：（ 1） 极对数等于转子齿数，可以根据需要在很大范围内变化。对于多极对数的混合式步进电动机，方波驱动就可以获得较高的分辨率，可作为低速同步电动机运行；对于少极对数的混合式步进电动机，可作为具有宽广

23、调整范围的调速电动机。（ 2） 转子磁钢提供激磁。在相同条件下，其激磁安匝只有反应式步进电动机的 12 13，有利于功率逆变器的设计和配置，降低成本，提高可靠性和系统效率。（ 3）绕组电压随转子位置变化小，使系统控制简单化，易于实现最佳运行控制。（ 4）在整个运行区域没有明显的振荡，易于减小力矩波动。（ 5）混合式步进电动机是轴向充磁磁路，永磁体夹在二段转子铁心中间，用量少，易于采用高磁能的新型永磁材料，有利于电动机性能的提高。步进电动机的驱动驱动系统的组成步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机驱动器系统的性能，除与电动机本身的性能有关外，也在很大程度

24、上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。步进电机驱动器的主要构成如图 2-3 所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。环形分配器用来接受来自控制器的 CP（ 时钟） 脉冲，并按步进电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止信号。每来一个 CP 脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于 CP 脉冲的有无或频率。同时环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换还是按正序或者反序转换，于是就决定了步进电机的转向。

25、接受 CP 脉冲和方向电平是环形分配器的最基本功能。图 2-3 步进电机驱动器的主要构成从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。信号放大的作用是将环形输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般既需要电压放大，也需要电流放大。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的功能。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可以根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常也需要提

26、供保护。信号处理级、推动级、保护级，不同的线路差别很大。驱动级直接与步进电机各相绕组相连，它接受来自推动级的信号，控制电动机各相绕组的导通与截止，同时也对各相绕组承受的电压和电流进行控制。驱动器的特点各种电子设备的最末级一般需要功率放大，步进电机驱动系统也是这样。为使步进电机满足各种需要的输出，驱动级必须给电机绕组提供足够的电压和电流。但是步进电机驱动系统与一般电子设备（如家电和音像等）的驱动系统有着不同的特点，主要体现在以下几个方面：（ 1） 各相绕组都是开关工作。多数电动机都是连续的交流或直流，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组不是连续的而是断续的。例如，三相的步进电机在三相六拍状

27、态工作时，各相施加电压的波形如图 2-4 所示：（ 2）步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。（ 3）绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响（ 4）电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小

28、，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降（ 5）电机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用于功率器件。当其叠加结果使电动机绕组两端的电压大大超过电源电流时，使驱动级工作条件更为恶化。图 2-4 三相步进电机三相六拍工作时工相绕组电压波形驱动器的选择设计中，执行元件选用的是两相混合步进电机，故可用 SGS 公司推出的 L297 和L298 两芯片可方便地组成步进电动机控制驱动器，其中 L297 是步进电动机控制器（包括环形分配器）， L298 是双 H 桥式驱动器。它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的接口的优点是，需要的元件很少，从而使得装配成本低，可靠性高和占空间

29、小。并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。L297L298 芯片的介绍L297或L298 为意大利 SGS 公司生产的步进电机专用集成电路。L297 产生四相驱动信号，和 L298 共同用于微机处理器控制双相双极和四相单极步进电机的驱动，有半阶梯模式，正常驱动模式及斩波驱动模式。由片内 PWM 斩波线路容许开关式控制线路电流。该器件的特性：（ 1）只需要时钟、方向和驱动模式输入。（ 2）脉冲分配电路内部自动产生。L298 芯片是一种高电压、大电流双 H 桥功率集成电路，可以用来驱动继电器、线圈、 直流电机和步进电机等感性负载， L298 为 SGS 公司特有的 Multiwatt

30、塑料封装， 15个引脚。具有抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三极管的射级是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻，另外可安置另一输入电源，使逻辑部分能在低电压下上作。L297 芯片的工作原理L297 的核心是脉冲分配器，它产生三种相序信号，对应三种不同的工作方式：即半步方式（ HALFSTEP）；基本步距（ FULL2LSTEP，整步）一相激励方式；基本步距两相激励方式。 脉冲分配器内部是一个 3bit 可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生 8 步格雷码时序信号，这也就是半步工作方式的时序信号，此时 HALFFULL，信号为高电平。若 HALFFULL 取低电平，得到基本步距

31、工作方式，即 4 步工作方式。L297 另一个重要组成是由 PWM 斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩频率特性。每个斩波器由一个比较器，一个 RS 触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用的振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号。频率 f 是由外接 16脚的 RC 网络决定的， 当 R 10K 时， f 1/0.96RC 。 当时钟振荡器脉冲使触发器置 1，电机绕组相电流上升，采样电阻 R 的电压上升到基准电压Vref 时，比较器翻转。 使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来。这样，触发器输出是恒频的 PWM 信号， 而绕组相电流峰值由Vref 整

32、定。CONTROL 信号用以选择斩波信号控制。当它为低电平时，斩波信号作用于两个禁止信号，高电平时，斩波信号作用于 A， B， C， D 信号。前者适用于单极性工作方式，而对于双极性工作方式的电机，这两种控制方式都可以采用。驱动硬件的体系结构由上述可知，由 L297 与 L298 组成的电路框图如图 2-5 所示。其中 DSP 输出到 L297有两个信号，一个为正转反转信号，一个为触发脉冲。在该电路中 L297 的 CW CCW 和CLOCK 分别和 DSP 控制芯片的控制口相连接，DSP 芯片通过高低电平控制 CW CCW ，取 1 和取 0 时的转向相反，从而控制步进电机的正反转。通过发脉冲控制 CLOCK 输入口，在每一个脉冲