基于TMS320F2812步进电机控制系统

基于TMS320F2812步进电机控制系统【摘要】设计基于DSP芯片TMS320F2812控制步进电机运转。TMS320F281x系列处理器是基于TMS320C2xx内核的32位定点数字信号处理器，器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用提供了良好的平台。设计实现对步进电机调速、定时、定步、正反转以及励磁方式控制，并通过TMS320F2812片内集成ADC模块获取电机电流。LCD12864结合四个按键以菜单模式选择各项功能，人机交换界面友好。该设计可精确控制步进电机运转，按键控制灵敏，能实现步进电机长时间工作。关键词：DSP；步进电机；精确控制；ADC；菜单模式电子系统设计任务书本次设计以TMS320F2812DSP芯片为核心控制步进电机运转，并通过LCD12864显示相关参数。（1）设计实现基于TMS320F2812的最小控制系统；（2）能利用TMS320F2812控制步进电机转向、转速等；（3）用12864液晶显示转向、转速、操作模式等状态信息参数；（4）实现其他外加功能。2011年9月29日目录1系统方案……………………………………………………………………………………11.1设计要求……………………………………………………………………………………11.2系统总体框图………………………………………………………………………………11.3系统方案论证………………………………………………………………………………11.3.1控制器的论证与选择……………………………………………………………………11.3.2电源模块的论证与选择…………………………………………………………………21.3.3电机驱动模块选择……………………………………………………………32.系统理论分析与计算………………………………………………………………………32.1步进电机转速计算………………………………………………………………………32.2TMS320F2812的AD校正…………………………………………………………………33.硬件电路与软件设计………………………………………………………………………43.1各模块电路设计……………………………………………………………………………43.1.1电源模块…………………………………………………………………………………43.1.2步进电机模块……………………………………………………………………………43.2程序设计……………………………………………………………………………………53.2.1程序功能描述与设计思路………………………………………………………………53.2.2程序流程图………………………………………………………………………………63.2.2.1主程序流程图…………………………………………………………………………63.2.2.2定时模式状态流程图…………………………………………………………………73.2.2.3定步模式状态流程图…………………………………………………………………83.2.2.4励磁方式选择流程图…………………………………………………………………83.2.2.5按键实时消抖流程图…………………………………………………………………94.总结与心得……………………………………………………………………………………95.参考文献………………………………………………………………………………………10附录………………………………………………………………………………………………111.设计PCB图……………………………………………………………………………………112.相关程序………………………………………………………………………………………1111.系统方案1.1设计要求设计并制作一个基于TMS320F2812步进电机控制系统，能控制步进电机各种状态，并用LCD12864显示，按键控制灵敏，能够长时间工作。1.2系统总体框图本系统主要由TMS320F2812模块、电源模块、液晶显示模块、电机驱动模块组成，系统框图如图1。图1系统总体框图1.3系统方案论证1.3.1控制器的论证与选择方案一：采用STC89C52单片机芯片控制系统。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，最高运作频率35Mhz，具有8K在系统可编程Flash存储器，价格便宜。但其RAM只有512Byte空间，不能用于在线调试。且芯片没有集成AD模块，需要另外搭建AD电路，增加了电路的复杂性。方案二：采用TMS320F2812DSP处理芯片控制系统。TMS320F2812具有32位的运算精度，采用增强的哈佛总线结构能够完成指令的并行处理，在单周期内通TMS320F2812电源模块步进电机驱动模块电机运转按键输入显示模块2过流水线完成指令和数据的同时提取，处理能力可达150MIPS。支持JTAG边界扫描接口，可实现在线调试。其片上具有128K*16位的Flash存储器和18K*16位的SRAM，可存储庞大的程序。TMS320F2812器件上还集成了多种先进的外设（如AD模块），为电机及其他运动控制领域应用提供了良好的平台。基于TMS320F2812上述诸多优点，本次设计采用其作为系统控制芯片。1.3.2电源模块的论证与选择由于采用SANYODENKI103-770-1三洋步进电机，其工作电流最大达到1A，可通过7812和7805两级稳压实现1A大电流输出。但由于稳压芯片压降大，导致大电流输出时耗散功率（P=(Vi-Vo)Io）很大，需要解决发热问题。方案一：采用7809在中间过渡，通过这样两级的调整，压差分别是降为3V和4V，两块电源芯片耗散功率及温度随之降低。这样固然对避免发烫有一定的帮助，但是我们注意到，电源芯片78XX的效率只有60%到75%，通过这么多的环节到5V的时候功率已经比较小了。没有负载的时候电源芯片的输出是5V，加上负载后输出容易被拉低，特别是大负载大电流时。方案二：采用降压功耗电阻（串接在12V与7805的输入端之间），来降低7805的耗散功率，电阻取值可用电阻压降（取3~4V）除以7805的最大输出电流Iom求得。但是加个功耗电阻，由于系统的电流是变化的，那么功耗电阻上的电压会很不稳定的变化，这样7805的输入端电压也会不稳定。而且长时间大电流工作时，如果电阻发热严重，电阻阻值会增大，而7805输入电压不能低于8V,否则7805工作不正常，这样做容易使系统供电不稳定。方案三：采用大面积的散热器进行散热。78XX最大输出电流可达1.5A，只要散热快，就能长时间驱动最大1A的电机。实验证明，使用大面积散热片后稳压芯片长时间大电流输出都不会很烫，系统能稳定工作。方案四：用PNP管扩流,这样的话可以把7805的负载能力提高,还在大电流的时候提高效率,从而降低功耗。但其电路相对复杂，而且对扩流PNP管要求高。综上所述，选择方案三解决发热问题，同时简化了电路，提高了电路的稳定性。31.3.3电机驱动模块选择方案一：三极管搭建驱动电路，不过比较复杂，可靠性也会降低。方案二：选用专用的电机驱动芯片L298N，接口简单，操作方便，且输出电流可达2．5A，能实现对1A电机的驱动。方案三：使用达林顿驱动器ULN2003。该芯片可最多驱动八线步进电机。但是ULN2003最大灌电流只有500mA，不能满足该控制系统大电流驱动的要求。综上，选择L298N作为电机驱动。2.系统理论分析与计算2.1步进电机转速计算不同的励磁方式电机有不同的步距角。全步（一相、二相）励磁方式步距角为1.8°，令步进时间为T(s)，则每1s步进度数为1.8/T,每分钟的转数为601.8//3600.3/TT，即转速V=0.3/T；同理，半步（一二相）励磁方式步距角为0.9°，转速V=0.15/T。2.2TMS320F2812的AD校正ADC的转换结果和实际值相比，误差比较大，最大可达到9%左右。通过AD校正，可将误差控制在1%左右。2812的ADC转换精度较差的主要原因是存在增益误差和偏移误差，要提高转换精度必须对这两种误差进行补偿。理想的12位ADC转换模拟量输入X和数字量输出Y关系为：Y=mi*X(mi=4095/3=1365);设实际增益为ma,实际偏移为b，则Y=ma*X+b.通过对开发板上3.3V和1.8V两路精准电压的测量，解二元一次方程可得ma和b。只要知道数字量转换结果Y，就可以得到实际的输入量()/XYbma.通过计算得ma=1290/1289,b=35;故取ma=1;b=35;由于AD转换结果数据时刻变化，因此无法精确获得ma和b值，但可通过平均值法求得ma和b，使AD转换误差控制在1%左右。43.硬件电路与软件设计3.1各模块电路设计3.1.1电源模块220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压15V，再经过桥式整流电路D6～D9和滤波电容C2的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7812的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过7812和7805的稳压和C3~C9的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。D2、D3、D4二极管起保护作用。3.1.2步进电机模块图5步进电机模块原理图5图中左边光电耦合器起电气隔离和电平转换作用，中间为L298N驱动芯片，D12~D19二极管起保护和续流作用。右边10个10电阻（0.25W）并联得到1（2.5W）采样电阻进行AD采样。3.2程序设计3.2.1程序功能描述与设计思路设计实现对步进电机调速、定时、定步、正反转以及励磁方式控制，并通过TMS320F2812片内集成ADC模块获取电机电流。LCD12864结合四个按键以菜单模式选择各项功能。（1）为防止功能的冲突，程序中应用大量标志来记录各种功能状态，同一状态下可有显示标志和功能执行标志。显示标志用来显示液晶，显示完成后标志立即清零，避免液晶一直刷新影响显示效果；功能执行标志能够保持功能状态信息，等待功能选择，在功能执行完成（一般在返回上级操作时）后清零标志。（2）利用定时器进行按键实时消抖。利用定时器可对按键进入和退出都进行实时消抖，这样不需等待按键释放就能保证每次按下按键为单次触发，避免了延时按键消抖占时、要等待的弊端，极大地提高了CPU工作效率，实时性好。由于按键消抖不需要很高的优先级，故程序中使用EVA通用定时器1进行按键消抖。同时该定时器也用作时钟计数，这样共用可减少定时器的使用，提高程序的运行效率。（3）CPU定时器0用作步进脉冲延时来控制电机转速。由于电机转速要求精度高，故使用优先级最高的定时器—CPU定时器0作为步进延时。（4）过采样法进行AD转换。程序对单一通道多次采样，通过取平均值法提高采样精度，同时可以减慢AD转换结果的变化，有利于LCD12864液晶显示。63.2.2程序流程图3.2.2.1主程序流程图开始系统初始化定时器初始化液晶初始化AD初始化并启动转换加速KEY1按下？减速模式选择状态反转KEY2按下？KEY4按下？KEY3按下？励磁方式选择状态定时模式状态定步模式状态YYYYNNNNKEY1按下？KEY2按下？KEY3按下？YYYNNNKEY4按下？NY73.2.2.2定时模式状态流程图KEY3按下？返回模式选择状态KEY4按下？YYNN定时模式KEY1按下？KEY2按下？YYNN定时开启定时关闭设定位切换设定位加1设定位减1KEY1按下？KEY2按下？KEY3按下？YYYNNNKEY4按下？NKEY3按下3次？N启动/暂停复位KEY1按下？KEY2按下？YYNNYY83.2.2.3定步模式状态流程图3.2.2.4励磁方式选择流程图电机启动设定位切换设定位加1设定位减1KEY1按下？KEY2按下？KEY3按下？YYYNNNKEY4按下？N返回模式选择状态Y定步模式KEY3按下5次？YN电机停止到步？NY一二相励磁一相励磁二相励磁KEY1按下？KEY2按下？KEY3按下？YYYNNN