基于DSP和CAN总线的步进电机控制系统研究_图文

1、 嵌入式技术 电 子 测 量 技 术 EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY第 32卷 第 1期2009年 1月 基于 DSP 和 CAN 总线的步进电机控制系统研究王 瑾(陕西纺织服装职业技术学院 咸阳 712000摘 要 :为了提高步进电机控制系统的动态性能和控制精度 , 提出基于数字信号处理器 TMS320L F2407A 的步进电 机控制系统设计方法 , 包括系统硬件 、 软件及加减速控制算法的设计 ; 并运用 CAN 总线技术实现了 DSP 与工控机之 间的数据通信 。 通过实验测试 , 结果验证了步进电机加减速控制算法的正确性和有效性 。

2、关键词 :步进电机 ; 数字信号处理器 ; CAN 总线 ; 加减速控制 中图分类号 :TP273 文献标识码 :AStudy on stepping motor control system based on DSP busWang Jin(Shaanxi Textile and Garment Abstract :In order to improve dynamic and stepping motor control system ,this paper brings forward stepping TMS320L F2407A DSP , including hardware de

3、sign , software of and deceleration. Data communication between DSP and industrial the use of CAN bus. Through experimental test , the results prove that control algorithm of and deceleration is correct and effective.K eyw ords :stepping motor ; DSP ; CAN bus ; control of acceleration and decelerati

4、on0 引 言步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行机构 , 其转子角位移与输入脉冲的个数成正比 , 其转动速 度与输入脉冲的频率成正比 , 通过改变脉冲频率可以实现 大范围内的调速 ; 同时 , 步进电机易于与计算机和其它数 字元件接口 , 因此被应用于各种数字控制系统中 1。随着微电子技术的发展 , 数字信号处理器以其强大的 运算处理功能、 较高的控制精度而在自动控制系统中普遍 使用。 在众多 DSP 型号中 , TMS320L F2407A 作为 TI 公 司的一款新型 16位定点数字信号处理器 , 以其外设集成 度高、 A/D 转换速度快等特点 , 而被广泛用于电机数字化 控制。

5、为了 提 高 步 进 电 机 的 控 制 性 能 和 精 度 , 本 文 以 TMS320L F2407A 为核心 , 实现了三相步进电机控制系统 的设计 ; 并运用 CAN 总线技术 , 完成了上位机与步进电机 控制系统之间的数据通信。1 系统结构基于 DSP 和 CAN 总线的步进电机控制系统结构框图 如图 1所示。 整个系统主要由数字信号处理器、 CAN 总线及其接口电路、 工控机、 步进电机等部分组成。本系统上位机经 CAN 接口适配卡与总线相连 , 实现 对下位机的监控和管理 。 下位机选用 TMS320L F2407A , 通过 CAN 驱动器 PCA82C250连接至 CAN 物

6、理总线 2; DSP 用于接收上位机指令 , 实现对步进电机的控制及向 上位机发送电机运行状态和各种参数 。在此网络系统 中 , 可配置多个节点 , 各节点之间都能通过 CAN 总线交 换信息 。图 1 系统结构框图211 王瑾 等 :基于 DSP 和 CAN 总线的步进电机控制系统研究第 1期2 系统硬件设计2. 1 DSP 与 CAN 总线接口电路DSP 与 CAN 总线接口电路主要用于完成工控机与步进电机控制系统的数据通信 , 电路如图 2所示。图 2 DSP 与 CAN 总线接口电路电路选用 PCA82C250作为 CAN 控制器和 CAN 间的接口 , 统抗干扰性能 , 在 DSP

7、与 离电路 , , 10M Hz 。电 , 输 出 引 脚 CAN H 和 CANL 120终端匹配电阻 ; 否则 , 会降低 总线 数 据 通 信 的 可 靠 性 3。并 将 RS 引 脚 接 地 , 使 PCA82C250工作于高速通信方式。 2. 2 脉冲分配器电路步进电机输出接口电路包括脉冲分配器电路和功率 驱动电路 2部分。脉冲分配器根据指令将脉冲按一定逻辑关系加到各 相绕组的功率放大器上 , 使步进电机按一定方式运行 4。 系统采用专为三相步进电机脉冲控制而设计的接口芯片 C H250作为脉冲分配器 , 电路如图 3所示。图 3 脉冲分配器电路图中 CH250接成三相六拍工作方式

8、, TMS320L F2407A的 PWM1、 T1PWM 脚分别与 CH250的 J6r 、 CP 端相连。PWM1脚的电平高、 低控制步进电机的旋转方向 ; T1PWM 脚输出脉冲的个数决定步进电机旋转角度 ; 其输出脉冲的 频率控制电机的加、 减速运动。 2. 3 功率驱动电路脉冲分配器 CH250的 A 、 B 、 C 三端输出电流很小 , 为 200400A ; 而所用三相反应式步进电机驱动电流较大 , 每相静态电流约 3A 。 为满足驱动要求 , 系统设计了步进 电机功率驱动电路 , 如图 4所示 (以 A 相为例 。电路采用三级晶体管放大 , 第 1级用 3D G6小功率管 ,

9、第 2级用 3D K4中功率管 , 第 3级用 3DD15大功率管。 L A 为步进电机 A 相绕组。 R15为限流电阻 , 保证电流稳 态值为额定值 ;D2为续流二极管 , 防止 3DD15关断时绕组 反电势击穿管子。 C9为加速电容 , 动态工作时 , 利用其旁 路作用 , 使电机绕组电流上升加快 , 沿 , 提高电机高频性能 5。图 4 步进电机功率驱动电路3 系统软件设计步进电机存在启动时的失步、 停止时的过冲现象 , 这 是影响步进电机位置控制精度的主要原因。因此 , 软件设 计主要介绍步进电机加减速控制算法及程序实现。3. 1 加减速控制算法设计在位置控制时 , 对步进电机的加减速

10、有严格要求 , 就 是在不失步和过冲的前提下 , 用最短的时间移动到指定位 置 6。 为满足加减速控制要求 , 本系统步进电机按照指数 加减速曲线进行控制 , 如图 5所示。图 5 指数加减速曲线311 第 32卷 电 子 测 量 技 术系统按指数曲线加减速时 , 驱动脉冲的频率 f 与升速时间 t 的关系如下 7:f =f m -f m e-t/(1式中 :f m 为步进电机最高运行频率 ; 是决定升速快慢的 时间常数 , 实际工作中可由实验来确定。实际运行中 , 若 步进电机运行频率为 f g , 由式 (1 可算出升速时间为 :t r =ln f m -ln f m -f g (2 由于

11、 DSP 是用定时器比较中断方式来控制步进电机速度的 , 电机的加减速控制实际上是不断地改变定时器周 期寄存器的装载值。 为了编程方便 , 可用阶梯曲线来拟合 加速曲线 , 将升速段按照速度等间距均匀地离散为 n 档 , 如 图 6所示。f g , 稳定运行最高频率为f c , 则相邻两速度级的频率变化为 :f =(f c -f q /n (3则每一档频率 f k 为 :f k =f q +f k -(k =1,2, , n 每一档运行时间 Tk 为 :T k =t r f k+1-t r f k(k =1,2, , n 式中 :t r f k 、 t r f k+1分别为运行频率为 f k

12、及 f k +1时 的升速时间。各分档速度内运行步数 N k 为 :N k =f k T k(4 则加速过程总步数 N r 为 :N r = nk =1Nk(5执行加速控制时 , 对每档速度都要计算在此台阶上应 走步数 , 然后以递减方式查询。当减至 0时 , 表明该速度 档步数已走完 , 进入下一档速度。同时 , 递减加速过程总 步数 , 直到加速过程走完。以上就是对步进电机加速过程 的处理方法 , 减速过程的处理同加速过程。 3. 2 加减速控制程序实现采用指数加减速曲线控制步进电机运行时 , 需要通过 计算来获得 PWM 输出频率 ; 为提高程序执行效率 , 系统采 用图 6所示近似指数

13、加速曲线 8。即用速度级数 M 与 1个常数 C 的乘积来模拟在该速度级上保持的时间 , 并且保持时间用步数来代替 ; 因此 , 在每个速度级上 , 步进电机都要走 MC 步。本系统步进电机工作时 , 启动频率为 400Hz , 最高频 率 3200Hz ; 取电机速度级数 M =7, 常数 C =2。 当外部时 钟频率为 10M Hz , 经 DSP 内部锁相环 4倍频 , 且通用定时 器 1的预分频因子为 64时 , 可求出各速度级上 PWM 信号 频率所对应的定时器 1周期寄存器值 T1PR , 如表 1所示。 程序运行时 , 可通过查表来改变 T1PR 的装载值 , 控制输 出 PWM

14、 信号的频率 ; 这样可以大幅减少占用 CPU 的时 间 , 提高系统响应速度。表 1 加速时各级频率及 T 1PR 值对照表速度 级数M 频率 /Hz 每级脉冲个数周期 寄存器T1PR 值 速度级 数 M频率 /Hz每级 脉冲个数 周期 寄存器T1PR 值1400261A H 500010138H2800430D H 12104H 31 2006140DF H1DSP 定时器 1的 1次 该程序 , 也即步进电机每走一步调用 1次 ; 并按照加减速 控制要求经查表装入 T1PR 值 , 在紧接着的下 1个周期中 相应地控制步进电机运动速度。加减速控制程序流程图 如图 7所示。图 7 加减速控

15、制程序流程图4 实验结果在实 验 过 程 中 , 系 统 选 用 三 相 反 应 式 步 进 电 机70BF003, 其额定激励电压 27V , 每相静态电流 3A , 步距 角 =1. 5°, 最大静转矩 0. 784N m 。 系统工作时 , 使步411 王瑾 等 :基于 DSP 和 CAN 总线的步进电机控制系统研究第 1期进电机启动频率为 400Hz , 最高工作频率 3200Hz , 取速度级数 M =7, 常数 C =2, 分别用示波器对步进电机加、 减速 过程中 TMS320L F2407A 的 T1PWM 引脚输出信号频率 进行检测 , 其波形如图 8所示。图 8 实

16、验结果由图 可 知 , 步 进 电 机 在 进 行 速 度 控 制 时 , DSP 的T1PWM 引脚输出频率可变的 PWM 信号 ; 且步进电机速 度并非一直上升 (或下降 , 而是每升 1级 (或每降 1级 都 要在该速度级上保持一段时间 , 即实际加、 减速轨迹呈阶 梯状 , 并在速度级上按 2、 4、 6、 等步数变化 ; 同时 , 输出波 形最低频率 400Hz , 最高频率 3200Hz 。 以上情况均表明 系统设计的步进电机加、 减速控制算法得以有效实施。5 结束语本文以 TMS320L F2407A 为控制核心 , 实现了三相步进电机控制系统的设计 ; 运用 CAN 总线技术

17、, 完成了工控 机与步进电机控制系统之间的数据通信 ; 重点介绍了步进 电机加减速控制算法及其程序实现。通过实验 , 结果验证 了步进电机加减速控制算法设计的正确性和有效性 ; 同 时 , 系统所采取的软、 硬件设计措施及步进电机控制算法 具有一定通用性 , 也可用于其他步进电机控制系统中。参 考 文 献1 刘亚东 , 李从心 , 王小新 . 步进电机速度的精确控制J.上海交通大学学报 ,2001,35(10 :151721520.2 孙兵 , 何瑾 , 陈广厦 . 基于 DSP 的 CAN 总线与以太网互联 系 统 研 制 J .仪 器 仪 表 学 报 , 2008, 29(2 :3772380.3 李星林 , 黄石生 . 高速双丝脉冲 MIG 焊的研究 J.电力电子技术 ,2008,42(3 :39240.4 王辉堂 , 颜自勇 , 陈文芗 . 模块单片机的分 技 国 外 电 子 测 量 技 术 , 3 :92.