數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,簡稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。TMS320LF2407是TI公司主推的一種高性能、低價格DSP處理器，其處理速度達到30 MIPS,片內(nèi)處理集成RAM、Flash及定時器外，還集成了A/D轉(zhuǎn)換器、PWM控制器及CAN總線控制器等模塊，特別適合于電機、電源變換等實時要求高的控制系統(tǒng)。但是通常設(shè)計DSP程序的方法是，在DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS中用C語言設(shè)計，需要花費大量的時間用來編寫和輸入程序代碼。在Matlab中用圖形化的方式設(shè)計DSP的程序，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。本文所介紹的是一種基于TMS320LF2407實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。
1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
整個系統(tǒng)分為五個部分組成：DSP中央控制器TMS320LF2407,步進電機及驅(qū)動，光電編碼器，鍵盤及液晶顯示部分，以及整個系統(tǒng)的外圍電源電路及看門狗復(fù)位電路組成，如圖1所示。在這個系統(tǒng)設(shè)計中，由鍵盤設(shè)定給定轉(zhuǎn)速(位置)，通過中央控制器TMS320LF2407來產(chǎn)生PWM脈沖信號來控制步進電機的轉(zhuǎn)速(位置)，可以采用光電編碼器對步進電機的轉(zhuǎn)速(位置)進行采樣檢測實現(xiàn)閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制無需轉(zhuǎn)速(位置)信號，以上過程中的多個變量、參數(shù)可以在液晶顯示屏上得到直觀地反映。整個硬件結(jié)構(gòu)簡單直觀，中央控制器TMS320LF2407還剩余豐富的I/O及中斷資源，在此設(shè)計基礎(chǔ)上具有一定的擴展空間。
圖1 硬件原理方框圖
本設(shè)計采用的是55BF03型三相反應(yīng)式步進電機，其接收數(shù)字控制信號(電脈沖信號)，并轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。此設(shè)計是用中央控制器TMS320LF2407產(chǎn)生的PWM環(huán)形脈沖信號經(jīng)過信號分配以及功率放大傳送給步進電機實現(xiàn)對步進電機的角位置或直線位移控制，所以此步進電機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計由以下幾部分組成，脈沖信號，信號分配，功率放大，步進電機及負載，如下圖2所示。在這個設(shè)計中基于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面的考慮，在這里設(shè)計成產(chǎn)生一個三相六拍信號來進行步進電機的控制，通電順序為A-AB-B-BC-C-CA,步距角為1.5°，功率放大采用的是典型的單壓驅(qū)動方式。
圖2 步進電機驅(qū)動方框圖
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為"步距角",它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號。
光電編碼器的選擇，可以選擇增量式編碼器或絕對值編碼器，前者適用于速度檢測，后者適用于位置檢測。編碼器的A、B信號與正交解碼脈沖單元QEP相對應(yīng)的引腳連接，可以檢測出步進電機的速度(位置)，并且能夠判斷出步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。
在顯示方面，由于液晶顯示器(LCD)點陣式或圖形式不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線和漢字，并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本顯示等功能，功耗小、體積小、質(zhì)量輕、超薄等諸多其它顯示器無法比擬的優(yōu)點，用途十分廣泛。本系統(tǒng)設(shè)計中用到的是HY-12864圖形液晶顯示器，它內(nèi)置兩塊HD61202液晶顯示控制驅(qū)動器，此屏幕的最大顯示范圍為128*64.HY-12864引出的以下控制信號：讀寫信號(R/W)、數(shù)據(jù)或指令信號(RS)、左、右屏片選信號(CS1、CS2)、使能信號(E)及數(shù)據(jù)總線(DB0--DB7)，由TMS320LF2407的I/O口直接控制，連接原理圖如下圖3所示。
圖3 液晶顯示HY-12864與TMS320LF2407的硬件連接圖
2 軟件設(shè)計
在整個軟件設(shè)計中，共包含主程序、步進電機驅(qū)動程序、液晶顯示驅(qū)動程序，按鍵掃描中斷程序、編碼器檢測換算程序等程序塊。
下面著重介紹一下步進電機驅(qū)動程序及編碼器檢測換算程序。在步進電機驅(qū)動程序設(shè)計中，充分運用TMS320LF2407控制器的事件管理模塊。在TMS320LF2407中各有一個16位比較寄存器CMPRx(x=4、5、6)，每個比較器各有兩個比較PWM輸出引腳，產(chǎn)生3路PWM輸出信號，控制電機轉(zhuǎn)速(位置)，其輸出引腳極性將由控制寄存器(ACTR)的控制位來決定，根據(jù)需要選擇高電平或低電平作為開通信號。在PWM信號調(diào)制中需要周期一定的載波，這時用到了定時器3,它以內(nèi)部CPU時鐘作為輸入，工作于連續(xù)增/減計數(shù)模式下，產(chǎn)生PWM脈沖輸出，產(chǎn)生的脈沖為一個環(huán)形可變脈沖，這時由T3PR定時周期下溢和上溢時產(chǎn)生中斷，刷新周期值，進行PWM調(diào)整，計算方式如下：
電機轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率f的關(guān)系：
最后，此設(shè)計中把給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的二進制碼，用29297除以給定轉(zhuǎn)速即得到PWM基數(shù)，所得到的PWM數(shù)值再乘以3得到定時器3的T3PR的周期值，對應(yīng)不同頻率的PWM脈沖輸出，如圖4，電機運行中斷程序框圖。
圖4 電機運行中斷程序框圖
光電編碼器的檢測利用正交解碼脈沖單元QEP,A、B分別與正交解碼脈沖單元的兩個通道QEP1和QEP2相連。正交解碼脈沖單元QEP具有方向檢測功能，它的方向檢測邏輯辨明兩個序列中哪一個是先導(dǎo)序列，接著可以產(chǎn)生方向信號作為所選定時器的方向輸入，如果QEP1輸入的是先導(dǎo)序列，則所選的定時器增計數(shù);反之QEP2輸入的是先導(dǎo)序列，則所選的定時器減計數(shù)。注意兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交解碼脈沖單元計數(shù)，因此產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍。在本系統(tǒng)中把定時器2用為作為計數(shù)器，它以正交解碼脈沖單元產(chǎn)生的時鐘作為輸入，與正交解碼脈沖單元QEP1、2共同作用，對編碼器信號進行檢測，換算成所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速(位置)信號。
本文所介紹的步進電機控制方案，其創(chuàng)新點在于利用TMS320LF2407的事件管理模塊，可以簡單有效的控制步進電機的速度(位置)。系統(tǒng)中并設(shè)計了相應(yīng)的人機界面，進行相應(yīng)變量的顯示、操作，同時該系統(tǒng)留有一定的資源可以方便系統(tǒng)的擴展。