基于步进电机的dsp控制毕业论文

基于步进电机的dsp控制毕业论文内容摘要：

术，使供电电压降为 ，减小了控制器功耗； 40MIPS的最高指令执行速度使得指令周期为 33ns ( 30MHz )，从而提高了控制器的实时控制能力。 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU内核，保证了 TMS320LF2407 代码和 TMS320系列 DSP 代码兼容。 片内有高达 32K 字 FLASH 程序存储器，高达 字数据 /程序 RAM， 544 字双口 RAM ( DARAM)和 2K 字单口 RAM ( SARAM )。 两个事件管理模块 EVA 和 EVB，每个模块包括： 两个 16 位通用定时器； 8 个16 位脉宽调制 (PWM)通道。 它们能够实现： PWM 的对称和非对称波形；可编程 PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲； 3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16 通道 10 位 A/D 转换器。 事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和功率逆变器。 可扩展外部存储器总共 192K 字空间： 64K 字程序存储空间； 64K 字数据存储空间； 64K 字 I/O 寻址空间。 看门狗定时器模块 (WDT )：可用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按照用户设定的时间间隔产 生中断。 如果软件执行进入一个不正确的循环或者 CPU运行出现异常时，该模块可以实现系统复位，使系统进入预定状态。 控制器局域网络 (CAN) 模块： CAN 模块给用户提供了设计分布式或网络化运动控制系统接口。 串行通信接口 (SCI)模块：用于实现 DSP 与其他异步外设之间的串行通信，其接收器和发送器都是双缓冲的。 16 位串行外设 (SPI)接口模块：用于 DSP 与外设或其他控制器进行串行通信，典型应用包括与数模转换器、 LED 显示驱动等器件的通信。 此外， TMS320LF2407 包含高达 40 个可单独编程 或复用的通用输入 /输出引脚和基于锁相环的时钟发生器。 之所以称 TMS320LF2407 为电机控制专用芯片，主要原因在于 19 该芯片内置有功能强大的事件管理器、 PWM 脉冲发生器和两路 10 位模数转换模块。 有了事件管理器强大的实时处理功能和 PWM 控制波形发生器以及两路同时采样、保持、转换的高速 A/D， TMS320LF2407 几乎可以实现任何电机控制。 A/D 转换原理 A/D 转化电路亦称 “模拟数字转换器 ”，简称 “模数转换器 ”。 将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。 随着数字技术，特 别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制。 通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。 由于系统的实际对象往往都是一些模拟量 (如温度。 压力。 位移。 图像等 ),要使计算机或数字仪表能识别。 处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析。 处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。 这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路 模数和数模转换器。 A/D 转换器的功能是把模拟量变换成数字量。 由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的 A/D 转换芯片。 A/D 转换器按分辨率分为 4 位、6 位、 8 位、 10 位、 14 位、 16 位和 bcd 码的 31/2 位、 51/2 位等。 按照转换速度可分为超高速 (转换时间 ≤330ns)、 次超高速 (330~)、 高速 (转换时间 ~333μs)、 低速 (转换时间＞ 330μs)等。 A/D 转换器按照转换原理可分为直接 a/d 转换器和间接 a/d 转换器。 所谓直接 A/D 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。 其中逐次逼近型 a/d 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的 分辨率和速度，故目前集成化 A/D 芯片采用逐次逼近型者多；间接 A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压 /时间转换型 (积分型 )； 电压 /频率转换型，电压 /脉宽转换型等。 其中积分型 a/d 转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。 有些转换器还将多路开关 、 基准电压源 、 时钟电路 、 译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯 A/D 转换功能，使用十分方便。 20 TMS320LF2407 内部 A/D 转换模块概述 F2407 的 A/D 转换模块（ ADC）具有以下特性： 带内置采样和保持（ S/H）的 10 位 ADC。 多达 16 个模拟输入通道（ ADCIN0ADCIN15）。 自动排序的能力。 一次可执行最多 16 个通道的 “ 自动转换 ” ，而每次要转换的通道都可以通过编程来选择。 两个独立的最多可选择 8 个模拟转换通道的排序器（ SEQ1 和 SEQ2）可以独立工作在双排序器模式，或者级联之后工作在一个最多可选择 16 个模拟转换通道的排序器模式。 在给定的排序方式下， 4 个排序控制器（ CHSELSEQN）决定了模拟通道转换的顺序。 可单独访问的 16 个结果转换器（ RESULT0RESULT15）用来储存转换结果。 可有多个触发源启动 A/D 转换： 软件：软件立即启动（用 SOC 和 SEQN） ； EVA/B：事件管理器（在 EVA/B 中有多个事件源可以启动 A/D） ； 外部： ADC SOC 引脚 ； 灵活的中断控制，允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。 排序器可工作在启动 /停止模式，允许多个按时间排序的触发源同步转换。 EVA 和 EVB 可各自独立地触发 SEQ1 和 SEQ2（仅用于双排序器模式）。 1采样和保持获取时间窗口有单独的预定标控制。 1内 置校验模式。 1内置自测试模式。 事件管理器 在实际应用中，使用 TMS320LF2407 来构成运动控制系统的关键是该芯片具有一个事件管理器 (Event Manager)专用外设模块。 事件管理器是一个专门用于电动机控制的外设模块，主要由通用定时单元、比较单元、捕获单元、正交编码脉冲电路 QEP 和外部输入组成。 21 通用定时器 TMS320LF2407 的每个事件管理模块有两个可编程通用定时器 (GP)。 每个 GP 定时器 x( EVA， x=1， 2；对 EVB， x=3， 4)包括： 一个 16 位定时器增 /减计数的计数器 TxCNT，可读写。 一个 16 位定时器比较寄存器 (映射双缓冲寄存器 )TxCMPR，可读写。 一个 16 位定时器周期寄存器 (映射双缓冲寄存器 )TxPR，可读写。 一个 16 位定时器控制寄存器 TxCON 可读写。 可选择的内部或外部输入时钟。 用于内部或外部时钟输入的可编程预定标器 (Prescaler )。 控制和中断逻辑用于四个可屏蔽的中断：下溢、溢出、定时器比较和周期中断。 可选方向的输入引脚 TMRDIR(当选择双向计数方式时，可以用来选择向上或向下计数 )。 在实际应用中，这些定时器能够产生系统所 需要的计数信号、离散控制系统的采样周期、 QEP 电路、捕获单元和比较单元的时基等。 为了适应不同应用的需要，每个通用定时器都有 6 种可选的计数模式，分别是：停止 /保持模式 ； 单增计数模式 ； 连续增计数模式；定向增 /减计数模式；连续增 /减计数模式；单增 /减计数模式。 每个 GP 定时器都有一个比较寄存器和一个比较 PWM 输出引脚，通用定时器可以工作在比较操作模式或比较 PWM 输出模式。 当工作在比较操作模式时，定时器的计数器值总是和相关的比较寄存器中的值相比较，当两者相等时就发生比较匹配事件。 当工作在比较 PWM 模式时，其输出引脚 的信号受通用定时器控制寄存器的定义、定时器所处的计数模式以及定时器的计数方向的影响。 全比较单元 事件管理器 EVA 模块中有三个全比较单元 CMPx ( x=1， 2， 3 )；事件管理器 EVB模块中同样有三个全比较单元 CMPx ( x=4， 5， 6 )。 每个比较单元都可以工作在比较模式或 PWM 模式下，可以通过 COMCON 中的位决定每个比较单元的工作模式。 当比较模式被选中并且全比较操作被使能时，定时器的计数器就会不断地与全比较单元的比较寄存器中的值进行比较。 当发生比较匹配时，全比较单元的输出引脚会根据ACTR 中的定义产生合适的电平跳变，同时比较中断标志被置位。 如果同组中没有其他 22 更高优先级的中断挂起，该中断标志将向 DSP 内核发出中断请求。 当工作在 PWM 模式下，全比较的操作类似于通用定时器的比较操作。 捕获单元和正交编码脉冲电路 捕获单元在 TMS320LF2407 的捕获引脚上出现跳变时被触发，事件管理器总共有 6个捕获单元。 当捕获引脚 CAPx(对 EVA， x=1， 2， 3：对 EVB x=4， 5， 6)上检测到所选的跳变时，所选的 GP 定时器的计数值被捕获并存储在两级 FIFO 栈中。 每个 EV模块都有一个 正交编码脉冲电路。 该电路被使能后，可以在编码和计数引脚 CAP I /QEP I和 CAP2/QEP2(对于 EVA模块 )或 CAP3lQEP3和 CAP4/QEP4(对于 EVB模块 )上输入正交编码脉冲。 正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率信息。 此电路在处理电机测速光电编码器的输出信号时很有用，可以大大简化电机测速的软硬件开销，提高控制系统的测速精度与可靠性。 如果使能了正交编码脉冲电路，则相应引脚上的捕获功能将被禁止。 23 5 系统各模块电路设计 系统流程设计 在本次步 进电机的控制系统中，由于步进电动机本身所拥有的精确定位特点我们采用开环控制系统。 控制系统如图 模拟量输入 数字量输入 整个控制系统分为四个部分： DSP 中央控制器 TMS320LF240外接电位器、步进电机及其驱动。 在本次设计中采用的电机是微型四相反应式步进电动机，其接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换为与之相对应的角位移。 基于对低碳节能的考虑，在这里设计成一个单四拍信号来进行步进电动机的控制，通电顺序为 ABCDA，步距角为 15176。 驱动芯片采用的是 ULN2020 芯片，根据前面的讨论控制流程如下：首先由 DSP 的 A/D 转换模块将电位器输出的模拟信号转换为数字信号，然后将该数字信号输入到 DSP 中以设定脉冲信号的间隔时间以便控制电机的转速，接着将由 DSP 的四个 I/O 口提供脉冲信号给驱动芯片，脉冲信号经过驱动芯片的处理后用来驱动步进电机的四个相，从而达到控制电机运转的目的。 DSP 微处理器、外扩 RAM 以及外围电路的设计 本次设计采用的 TMS320LF2407A DSP 微控制器共有 144 个引脚如图 ，其内部功能结构包括： DSP 内核、内部 DRAM、内部 SRAM、扩展存储器界面、事件管理器 A、事件管理器 B、 JTAG 接口、数字 I／ O 口、 10 位 A／ D 模块、 PLL时钟、 FLASH ROM、CAN 控制器模块、 SCI 中行通讯模块、 SPI 中行外设模块、看门狗模块。 电位器 A/D TMS320LF2407 DSP 驱动芯片 步进电机 24 图 2407 管脚图 25 外扩存储芯片 图 外扩存储芯片 图 与门 26 本次设计选用的 RAM 型号为 IS61LV6416， 64K*16bit， DSP 通电后外扩芯片的A0 到 A14 为高电平。 当 DS 为 0 时（低电平）时，外扩的芯片只有 15 个管脚启动其存储空间大小相当于 02 152 既 0000H7FFFH， 而这段的存储空间用来存放数据，当 DS 为1 时（高电平）时，外扩芯片的 A16 管脚启动，其增加的存储空间为 152 162 既 8000HFFFH这两段存储空间大小一致。 启动扩展芯片我们需要一个与门如图。 DS 与 PS 只要有一个为低电平则结果 RAMCS 为低电平从而启动扩展芯片。 电源模块 图 供电电路 本次设计所采用的开发板既可 以 使用独立的 5V/1A 开关电源供电，也可使用 USB线直接供电，使用 起来很方便。 因为实验室 PC 机可以提供 USB 供电，所以为了便捷在设计中我们采用了 USB 线直接将开发板和 PC 机相连进行供电。 27 复位电路 图 复位电路 在本次设计中 复位电路采用了专门的复位芯片 SP708R，保证 DSP 芯片能可靠复位，并且提供手动复位按钮，方便在程序死机的情况下。