基于DSP的四相步进电机控制系统设计_免费论文全文下载

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摘 要：本系统拟采用DSP控制四相步进电机的设计。首先，系统主要控制器为TMS320F28335，采用DSP输出PWM脉冲波经过脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路来对步进电机进行驱动；其次，通过电流采样电路、A/D转换器和过电流保护电路控制步进电机，从而增强步进电机的稳定性、系统的可靠性和抗干扰能力；最后，无线控制模块控制步进电机的运行状态。对DSP 在步进电机控制系统中的进一步应用提供了借鉴。

关键词：TMS320F28335；PWM；步进电机；无线模块
中图分类号：TP23 文献标识码：A
Abstract： The design of this system is to use DSP to control the four phase stepper motor.First，The main controller of the system is TMS320F28335，using DSP output PWM pulse passes the pulse distribution circuit， photoelectric isolation circuit and power amplifier circuit to drive the stepper motor；second，The step motor is controlled by the current sampling circuit，the A/D converter and the over current protection circuit to enhance the stability of the stepping motor，the reliability and the anti-interference ability of the system；finally，the wireless controlling module control step motor running state.It provides a reference for the further application of DSP in the control system of stepping motor.
Key words： TMS320F28335； PWM； Stepper motor； Wireless module
1引言
步进电机的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转[1]。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，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[2]。近年来，研究人员提出基于单片机的步进电机控制系统设计[3-6]，这种控制相比DSP控制来说
精度较低；基于DSP的步进电机控制系统
的研究[7-12]，使得步进电机达到细分控制的效果；但是目前四相步进电机的控制装置还
存在一些不足：首先，步进电机的控制策略
单一，调节范围较小，控制精度低，稳定性
不够，而且步进电机机械结构和空间的限制，步进分辨率低、缺乏灵活性，难以满足高精度开环控制的要求；其次，目前步进电机主要是通过按键输入来控制电机的启停、正反转等，而且在一些环境比较恶劣或对身体有伤害的地方，人们无法接近步进电机控制器部位，难以实现安全运行；最后，在步进电机运动的过程中，电机绕组可能发生过流，此时若没有相关人员及时处理可能引发
事故，传统的步进电机靠熔断器等传统手段来保证步进电机安全，但其成本高，没有得到广泛应用。
因此，本文基于以上问题提出基于TMS320F28335的四相步进电机的设计，使步进电机操作更加简便，运行更加安全可靠。
2 系统总体设计方案
本系统采用数字信号处理芯片TMS320F28335，通过脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路对输出的PWM进行处理来控制步进电机，无线控制模块PTR2000[13-14]工作频率为国际通用的数据传输频率段433 MHz，采用抗干扰能力较强的频移键控制，扩展能力强，特别适合工业控制场合。总体设计框图如图1所示。
3 系统硬件设计
本系统拟选用的主控制器为TMS320F28335，其具有150MHz的高速处理能力，12位16通道ADC，具备32位浮点处理单元，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM）[15]。电机控制电路包括脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路、电流采样电路和A/D转换器组成的反馈电路。
3.1 脉冲分配电路和光电隔离电路
在步进电机的驱动过程中，脉冲分配电路采用SN74LS194主控芯片，控制�出PWM脉冲通过脉冲分配器控制步进电机励磁绕组按照一定顺序接通、断电，使步进电机绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变化；光电隔离利用LED与光电探测设备实现隔离阻障，通过光来传输信号。光电探测设备接受LED发出的光信号，再将其转换成原始电信号。如图2所示。
3.2 功率放大电路
步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。如图3所示。
3.3 电流采样电路
电流采样电路采集到输出电流信号时，经过A/D转换电路传输给DSP与设定电流信号作对比，然后调节输出PWM信号，进一步调节步进电机的运行。如图4所示。 3.4 过电流保护电路
�^流保护电路的输入端与电流采样电路的输出端相接，当采样电流输出的电流偏大时，过电流保护电路立刻把此信号传输给DSP，从而确保步进电机运行安全可靠。如图5所示。
4 系统软件设计
本系统软件主要包括步进电机控制程序、过电流保护中断程序和PWM信号产生程序组成。
4.1 步进电机的控制
当上位机通电后，通过与先设置的A值进行比较，判断出电机的正反转并输出此时电机正反转电流信号，把此信号与ADC电流实际信号做差值，调用PWM子程序产生PWM信号，最后结合输出的DSP电机正反转的信号一起送到电机功率驱动电路，实现驱动电机运行。主程序如图6所示。
4.2 PWM脉冲序列的产生
PWM是利用DSP的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这个子程序在DSP事件管理器EAV中完成，初始化程序采用的计数模式为递增计数模式。如图7所示。
4.3 过电流保护的设计
当四相步进电机电流过高时，DSP芯片的引脚将会接收到一个低电平信号，这一信号将触发电机驱动电路产生保护中断。如图8所示。
5 结 论
本文通过采用TMS320F28335控制四相步进电机的设计，具有以下优点：1.通过脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路驱动步进电机，使步进电机转动的稳定性和精度得到提高，电路简单，便于应用；2.设置电流采样电路实时检测步进电机绕组中的电流并将采集到的电流值转换为电压值，再经过流保护电路进行比较，当电流采
样电路采集的电流较大时，过流保护电路输出高电平，控制器TMS320F28335控制步进电机停止转动，可靠稳定；3.通过无线控制模块可远程控制步进电机，实现对步进电机转动方向和速度的控制，避免了手动操作或外部设置不方便，提高了步进电机控制的便捷性。
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发票抬头：
西安科技大学
作者简介：
党威望（1988.12―），男，陕西省渭南市人，西安科技大学，硕士。研究方向：电机与电器。
岳改丽（1967.5―），女，陕西省兴平市人，西安科技大学，副教授。研究方向：电力电子及电力传动、现代电源技术、电路与系统。
作者详细通讯地址：
地址：陕西省西安市碑林区雁塔中路58号西安科技大学研究生院 电气与控制工程学院 党威望
邮编：710054
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