基于DSP的步进电机控制

1基于DSP的步进电机控制一DSP简介DSP，即DigitalSignalProcessor数字信号处理器，它是以数字信号来处理大量信息的器件，强大数据处理能力和高运行速度。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。图1TMS320LF2407引脚图DSP在选型时主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内资源，如定时器的数量、I/O口数量、中断数量、DMA通道数等。其主要供应厂商为TI、Motorola、Freescale等。二．步进电机简介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步进电机件。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。图2步进电机55BF032三．DSP控制步进电机3.1系统构成DSP中央处理器TMS320LF240键盘与液晶显示外围电源电路与看门狗复位电路步进电机及驱动光电编码器给定转速位置转速位置显示数字给定信号PWM方波检测转速位置读取采样结果图3控制系统原理方框图如图3所示，该控制系统有五大组成部分，分别为DSP中央处理器、步进电机及驱动、光电编码器、键盘和液晶显示、外围电源电路与看门狗复位电路。系统在运行中，由键盘设定给定转速或位置，通过DSP中央处理器TMS320LF2407产生PWM脉冲信号来控制步进电机的转速或位置，采用光电编码器周期采样步进电机的转速或位置信号反馈给控制器DSP，从而实现转速或位置的闭环控制。然后将转速或位置在液晶上显示，利用看门狗复位电路监控程序是否正常运行。因为DSP本身使用3.3V工作电压和1.8V锁相环工作电压，故在系统使用外围电源电路提供5V电压时须转换成3.3V。3.2步进电机驱动电路由DSP产生的PWM信号不足以直接驱动电机运行，需要使用驱动电路，可使用集成芯片L298N，它是恒压恒流双H桥电机芯片，可同时控制两台直流电机，输出电流可达2A。使用时应使用供电电压VS大于其逻辑电压VSS，否则将会出现电机失控的现象。另外，为了保护电机，在驱动电路中需要加入两组续流二极管。为了降低和减小驱动电路对控制系统的影响，可加入光耦器件。DSP产生的PWM波经施密特反相器74HC14后加到TLP521-4光耦上进行光电隔离，再送给驱动芯片L298N.这样控制信号就变得稳定可靠了。33.3光电编码器的选择光电编码器的选择，可以选择增量式编码器或绝对值编码器，前者适用于速度检测，后者适用于位置检测。编码器的A、B信号与正交解码脉冲单元QEP相对应的引脚连接，可以检测出步进电机的速度(位置)，并且能够判断出步进电机的旋转方向。在安装时，光电编码器要与驱动电机同轴。3.4液晶显示器的连接在显示方面,由于液晶显示器(LCD)点阵式或图形式不仅可以显示字符、数字,还可以显示各种图形、曲线和汉字,并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本显示等功能耗小、体积小、质量轻、超薄等诸多其它显示器无法比拟的优点,用途十分广泛。本系统设计中用到的是HY-12864图形液晶显示器,它内置两块HD61202液晶显示控制驱动器,此屏幕的最大显示范围为128*64。HY-12864引出的以下控制信号:读写信号(R/W)、数据或指令信号(RS)、左、右屏片选信号(CS1、CS2)、使能信号(E)及数据总线(DB0--DB7),由TMS320LF2407的I/O口直接控制。IOPA7IOPA6IOPA5IOPA4IOPA3IOPB0-IOPB7VDDVSSV0ECS1CS2R/WRSDB0-DB7HY12864TMS320LF2407GNDR=10K+5V图4液晶显示HY-12864与TMS320LF2407硬件连接图3.5控制策略该系统的速度或位置采用闭环反馈控制，其控制方案通过对DSP编程实现，可使用数字PI增量式算法，避免了位置式算法对过去数据的累加。数字PID增量式kIkkPkkkeTKeeKuuu)(114在实际系统中，当电机处于启动、停车或大幅度增减时，在短时间内系统会输出很大的偏差，使得PI算法的积分项很大，从而引起积分饱和现象，造成系统震荡、调节时间延长。为了消除积分饱和带来的不利影响，可以采取积分分离算法，即当系统偏差较大时，只让比例部分起作用，以快速减小偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，即可消除稳态误差，又可避免饱和超调，其表达式为kIIkkPkkkeTKCeeKuuu)(11其中|)(|,0|)(|,1ieieCI四小结本系统只是简单地对DSP与步进电机的介绍与控制系统硬件软件实现的说明，由于时间、知识有限，硬件实物图与软件实现的代码尚未实现。