DSP控制器原理及應(yīng)用課程報(bào)告-基于TMS320F28335的步進(jìn)電機(jī)的控制

組員分工DSP控制器原理及應(yīng)用課程報(bào)告基于TMS320F28335的步進(jìn)電機(jī)控制小組成員：指導(dǎo)教師：2016年12月

成員學(xué)號(hào)導(dǎo)師分工建議成績(jī)摘錄相關(guān)背景知識(shí)；原理設(shè)計(jì)；步進(jìn)電機(jī)程序編寫(xiě)調(diào)試；實(shí)驗(yàn)報(bào)告排版等優(yōu)目錄目錄目錄1緒論 緒論課題提出的背景隨著工業(yè)電氣傳動(dòng)、自動(dòng)控制對(duì)電動(dòng)機(jī)控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)也變得越來(lái)越重要。在以往的工業(yè)控制系統(tǒng)中，多采用傳統(tǒng)上的單片機(jī)系統(tǒng)加以控制，這種控制系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定。但是，傳統(tǒng)的單片機(jī)的指令系統(tǒng)較復(fù)雜，指令多需要2到3個(gè)指令周期才能完成，而且在硬件結(jié)構(gòu)上，單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在同一空間、同一時(shí)刻只能訪問(wèn)指令或數(shù)據(jù)。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的指令系統(tǒng)造成其運(yùn)算速度較慢、處理能力有限，尤其對(duì)于運(yùn)用微處理器控制的多電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，由于實(shí)時(shí)性和精度要求很高，處理的數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量較大，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，簡(jiǎn)稱DSP）的依賴越來(lái)越大。從20世紀(jì)60年代數(shù)字信號(hào)處理理論的崛起，到20世紀(jì)80年代世界上第一個(gè)單片可編程DSP芯片產(chǎn)生以來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展迅猛異常，DSP的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。從運(yùn)算速度來(lái)看，指令周期己經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns降低到40ns，DSP內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從占模區(qū)的40%左右下降到5%以下，片內(nèi)RAM增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從制造工藝上來(lái)看，80年代采用NMOS工藝，而現(xiàn)在普遍采用微米CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從80年代的最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加，此外隨著DSP芯片的發(fā)展，DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。十多年前，數(shù)字信號(hào)處理器件以其高速、低功耗和高集成度在軍事、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但DSP曾被看作是僅適用于要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域，如雷達(dá)信號(hào)處理或醫(yī)療電子設(shè)備中的昂貴器件。隨著半導(dǎo)體工藝尤其是高密度CMOS工藝的發(fā)展和進(jìn)步，近幾年來(lái)，這類(lèi)芯片的價(jià)格日益下降，而性能卻不斷提高，軟件和開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越多，越來(lái)越好，應(yīng)用范圍也日益廣泛，DSP以不可阻擋的趨勢(shì)，進(jìn)入了工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著DSP器件的價(jià)格日益下降，性能不斷提高，采用DSP器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(jī)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)已成為電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。而在中國(guó)，手機(jī)、DVD等數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品是應(yīng)用DSP的主要方向，應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)控制的研究剛剛起步，集中在一些院校和研究所，還沒(méi)有實(shí)用化的產(chǎn)品。但是隨著國(guó)家的發(fā)展，能源和環(huán)保的要求越來(lái)越高，DSP芯片必然會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。目前工業(yè)控制對(duì)DSP的依賴越來(lái)越多，而DSP自身又正在迅猛發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)對(duì)DSP應(yīng)用于工業(yè)控制的研究也只是停留在實(shí)驗(yàn)室的水平，并沒(méi)有成型的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)是工業(yè)控制系統(tǒng)中的主要?jiǎng)恿υ?，而工業(yè)控制中廣泛采用的是多電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，多電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用十分廣泛，從工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線到機(jī)床的多軸控制都離不開(kāi)多電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，本課題就是在這種背景下提出的，目的是開(kāi)發(fā)出基于DSP的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。DSP的發(fā)展及應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。世界上第一個(gè)單片DSP芯片是1978年AMI公司發(fā)布的52811，1979年美國(guó)INTEL公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒(méi)有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的uPD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP芯片。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司（TexasInstruments，簡(jiǎn)稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS3210及其系列產(chǎn)品TMS32011，TMS320C10／C14／C15／C16／C17等，之后相繼推出其第二代DSP芯片TMS32020，TMS320C25／C26／C28，第三代DSP芯片TMS320C30／C31／C32，第四代DSP芯片TMS320C40／C44，第五代DSP芯片TMS320C5X／C54X，第二代DSP芯片的改進(jìn)型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X／C67X等。TI常用的DSP芯片歸納為三大系列，即TMS320C2000系列（包括TMS320C2X／C2XX）、TMS320C5000系列包括TMS320CSX／C54X／CSSX）、TMS320C6000系列（包括TMS320C62X／C67X）。目前，TI公司的一系列DSP產(chǎn)品己經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響力的DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近50%。

1980年以來(lái)，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，DSP芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技術(shù)的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在近20年時(shí)間里，DSP芯片已經(jīng)在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，DSP芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。DSP芯片的應(yīng)用主要有：（1）信號(hào)處理——如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積、模式匹配、波形產(chǎn)生等；（2）通信——如調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、可視電話等；（3）語(yǔ)音——如語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、說(shuō)話人辨認(rèn)、說(shuō)話人確認(rèn)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音存儲(chǔ)等；（4）圖形／圖像——如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫(huà)、機(jī)器人視覺(jué)等；（5）軍事——如保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等；（6）儀器儀表——如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等；（7）自動(dòng)控制——如電動(dòng)機(jī)控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤(pán)控制等；（8）醫(yī)療——如助聽(tīng)、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等；（9）家用電器——如高保真音響、音樂(lè)合成、音調(diào)控制、數(shù)字電視等。隨著DSP芯片性能價(jià)格比的不斷提高，可以預(yù)見(jiàn)DSP芯片將會(huì)在更多的領(lǐng)域內(nèi)得到更為廣泛的應(yīng)用。本課題主要工作步進(jìn)電機(jī)作為一種電脈沖—角位移的轉(zhuǎn)換元件，由于具有價(jià)格低廉、易于控制、無(wú)積累誤差和計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是由于受制造工藝的影響，步進(jìn)電機(jī)的步距角一般較大，而且還存在低頻振動(dòng)，在低頻時(shí)有明顯的“步進(jìn)”感應(yīng)。這些缺點(diǎn)使得步進(jìn)電機(jī)一般只能應(yīng)用在一些要求較低的場(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新穎的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)被提出用來(lái)改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。本論文經(jīng)過(guò)認(rèn)真論證分析，確定了所選用的應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的DSP芯片，最終選用了TI公司TMS320LF2407A運(yùn)動(dòng)控制芯片，開(kāi)發(fā)了基于此芯片的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，論文中主要討論了DSP在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的作用以及DSP控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方法，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)又分為硬件和軟件兩大部分：（1）硬件部分主要介紹了DSP控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要硬件電路以及各種保護(hù)電路。（2）軟件部分完成了主要程序的的設(shè)計(jì)。本論文五個(gè)章節(jié)分別為：第1章為緒論部分，介紹了DSP發(fā)展前景及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)。第2章介紹了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并選擇二相混合式電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件并選擇L297+L298組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第3章為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，選取并介紹TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335作為控制核心，完成電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括DSP控制電路和保護(hù)電路。第4章為控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。第5章為結(jié)果分析。第6章為報(bào)告總結(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為Stepmotor或Steppingmotor等等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推動(dòng)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速的發(fā)展并成熟起來(lái)。從發(fā)展趨向來(lái)講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)己經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類(lèi)型。當(dāng)然步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也有一些自身的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差；由于存在失步和共振，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化；不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動(dòng)。自上世紀(jì)中葉，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用滲透到數(shù)字控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在數(shù)控機(jī)械中廣泛利用其開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)。近幾十年來(lái)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在OA機(jī)器（OfficeAutomation）、FA機(jī)器（FactoryAutomation）和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等領(lǐng)域作為控制用電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)而被廣泛使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)分為三大類(lèi)：（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VariableReluctance，簡(jiǎn)稱VR）

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類(lèi)型。（2）永磁式步進(jìn)電機(jī)（PermanentMagnet，簡(jiǎn)稱PM）永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小（相比反應(yīng)式）；但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。（3）混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid，簡(jiǎn)稱HF3）混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最廣。步進(jìn)電機(jī)的步距角步距角計(jì)算公式如下：式中：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)（1）步距角精度 步距角精度是指理論步距角與實(shí)測(cè)步距角之差，以分（＇）表示。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)步進(jìn)誤差一般在10＇以內(nèi)，在實(shí)際使用中，常以累計(jì)誤差表示步距角精度，但是步進(jìn)電機(jī)的步距角累積誤差在3600后清零。（2）靜態(tài)矩角特性

在空載狀態(tài)下，給步進(jìn)電機(jī)通電，則轉(zhuǎn)子齒的中心線和定子齒的中心線重合，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)子處在靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子則要產(chǎn)生一個(gè)抗衡負(fù)載的電磁力矩，此時(shí)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度d，該角度稱之為失調(diào)角。失調(diào)角d和電磁轉(zhuǎn)矩Tj（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）之間滿足TjTjmaxsind（2-2）式中：Tj—最大靜轉(zhuǎn)矩；d—失調(diào)角，d2π/m.（m為一個(gè)通電順序內(nèi)的拍數(shù)）。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力越大，靜態(tài)誤差越小。當(dāng)失調(diào)角d在—＋之間，如果去掉外載，則轉(zhuǎn)子仍然能回到初始穩(wěn)定平衡位置。另外，采用不同的運(yùn)行方式和增加步進(jìn)電機(jī)相數(shù)可以提高最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。最大負(fù)載力矩不能超過(guò)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，否則電機(jī)不能啟動(dòng)。（3）動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩頻特性在不同頻率下步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。隨著輸入脈沖的增加，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減小。圖2-1是步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線。（4）啟動(dòng)頻率和慣性特性步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)而不失步的頻率，稱之為啟動(dòng)頻率。它反映了電機(jī)跟蹤的快速性。若控制脈沖頻率大于啟動(dòng)頻率，則電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步，不能正常工作。目前，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率為1000-3000Hz。電機(jī)啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性有關(guān)。圖2-2是步進(jìn)電機(jī)的慣頻特性曲線。從圖2-2可知，慣性越大，啟動(dòng)頻率越小。（5）運(yùn)行頻率運(yùn)行頻率是指電機(jī)在額定狀態(tài)下逐漸升速，達(dá)到不失步的工作頻率。一般情況下，連續(xù)運(yùn)行頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。因此，步進(jìn)電機(jī)在以較低的啟動(dòng)頻率啟動(dòng)后，應(yīng)采用升速策略達(dá)到運(yùn)行頻率；同樣，采用降速策略從運(yùn)行頻率降到啟動(dòng)頻率以下，再停止控制脈沖。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)這是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.90／1.80、三相的為0.750／1.50等、五相的為0.360／0.720在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它既有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn)，又有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高效率，繞組電感比較小的特點(diǎn)，故稱混合式。它是一種同步電動(dòng)機(jī)，既可以用作同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制，又可以用作步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置開(kāi)環(huán)控制。從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三種基本結(jié)構(gòu)形式看出，永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上存在永久磁鐵，由電機(jī)的互逆原理可知，它們不僅可以用作電動(dòng)機(jī)同時(shí)也可作為發(fā)電機(jī)來(lái)用，但是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)卻只能用作電動(dòng)機(jī)。而對(duì)于永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用的是混合式步進(jìn)電機(jī)，因此我們選用混合式步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有如下一些特點(diǎn)：（1）極對(duì)數(shù)等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)，可以根據(jù)需要在很大范圍內(nèi)變化。對(duì)于多極對(duì)數(shù)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，方波驅(qū)動(dòng)就可以獲得較高的分辨率，可作為低速同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；對(duì)于少極對(duì)數(shù)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可作為具有寬廣調(diào)整范圍的調(diào)速電動(dòng)機(jī)。（2）轉(zhuǎn)子磁鋼提供激磁。在相同條件下，其激磁安匝只有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的1／2—1／3，有利于功率逆變器的設(shè)計(jì)和配置，降低成本，提高可靠性和系統(tǒng)效率。（3）繞組電壓隨轉(zhuǎn)子位置變化小，使系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單化，易于實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行控制。（4）在整個(gè)運(yùn)行區(qū)域沒(méi)有明顯的振蕩，易于減小力矩波動(dòng)。（5）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是軸向充磁磁路，永磁體夾在二段轉(zhuǎn)子鐵心中間，用量少，易于采用高磁能的新型永磁材料，有利于電動(dòng)機(jī)性能的提高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專(zhuān)用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。因此，對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是與步進(jìn)電機(jī)的研究同步進(jìn)行的。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖2-3所示，一般由環(huán)形分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還要有多種保護(hù)線路。環(huán)形分配器用來(lái)接受來(lái)自控制器的CP（時(shí)鐘）脈沖，并按步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止信號(hào)。每來(lái)一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)或頻率。同時(shí)環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換還是按正序或者反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能。圖2-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)送入信號(hào)放大與處理級(jí)。信號(hào)放大的作用是將環(huán)形輸出信號(hào)加以放大，變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)，這中間一般既需要電壓放大，也需要電流放大。信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入的較大信號(hào)。有時(shí)，推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的功能。保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全。一般可以根據(jù)需要設(shè)置過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。有時(shí)還需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常也需要提供保護(hù)。信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、保護(hù)級(jí)，不同的線路差別很大。驅(qū)動(dòng)級(jí)直接與步進(jìn)電機(jī)各相繞組相連，它接受來(lái)自推動(dòng)級(jí)的信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止，同時(shí)也對(duì)各相繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)各種電子設(shè)備的最末級(jí)一般需要功率放大，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是這樣。為使步進(jìn)電機(jī)滿足各種需要的輸出，驅(qū)動(dòng)級(jí)必須給電機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流。但是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與一般電子設(shè)備（如家電和音像等）的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）各相繞組都是開(kāi)關(guān)工作。多數(shù)電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。例如，三相的步進(jìn)電機(jī)在三相六拍狀態(tài)工作時(shí)，各相施加電壓的波形如圖2-4所示：

（2）步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。

（3）繞組斷電時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，而截止時(shí)的反電勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響，使整個(gè)系統(tǒng)的使用受到影響

（4）電機(jī)運(yùn)行時(shí)在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，這些電勢(shì)的方向和大小將對(duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)基本上與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降

（5）電機(jī)繞組中有電感電勢(shì)、互感電勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。這些電勢(shì)與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端的電壓大大超過(guò)電源電流時(shí)，使驅(qū)動(dòng)級(jí)工作條件更為惡化。圖2-4三相步進(jìn)電機(jī)三相六拍工作時(shí)工相繞組電壓波形驅(qū)動(dòng)器的選擇設(shè)計(jì)中，執(zhí)行元件選用的是兩相混合步進(jìn)電機(jī)，故可用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便地組成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，其中L297是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器（包括環(huán)形分配器），L298是雙H橋式驅(qū)動(dòng)器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口的優(yōu)點(diǎn)是，需要的元件很少，從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間小。并且通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，可以簡(jiǎn)化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。L297／L298芯片的介紹L297或L298為意大利SGS公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用集成電路。L297產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，和L298共同用于微機(jī)處理器控制雙相雙極和四相單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，有半階梯模式，正常驅(qū)動(dòng)模式及斬波驅(qū)動(dòng)模式。由片內(nèi)PWM斬波線路容許開(kāi)關(guān)式控制線路電流。該器件的特性：（1）只需要時(shí)鐘、方向和驅(qū)動(dòng)模式輸入。（2）脈沖分配電路內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生。L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成電路，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載，L298為SGS公司特有的Multiwatt塑料封裝，15個(gè)引腳。具有抑制輸入來(lái)使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三極管的射級(jí)是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來(lái)連接外設(shè)傳感電阻，另外可安置另一輸入電源，使邏輯部分能在低電壓下上作。L297芯片的工作原理L297的核心是脈沖分配器，它產(chǎn)生三種相序信號(hào)，對(duì)應(yīng)三種不同的工作方式：即半步方式（HALFSTEP）；基本步距（FULL2LSTEP，整步）一相激勵(lì)方式；基本步距兩相激勵(lì)方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個(gè)3bit可逆計(jì)數(shù)器，加上一些組合邏輯，產(chǎn)生8步格雷碼時(shí)序信號(hào)，這也就是半步工作方式的時(shí)序信號(hào)，此時(shí)HALF／FULL，信號(hào)為高電平。若HALF／FULL取低電平，得到基本步距工作方式，即4步工作方式。L297另一個(gè)重要組成是由PWM斬波器來(lái)控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的轉(zhuǎn)矩—頻率特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器，一個(gè)RS觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個(gè)公用的振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)。頻率f是由外接16腳的RC網(wǎng)絡(luò)決定的，當(dāng)R>10K時(shí)，f1/0.96RC。當(dāng)時(shí)鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置1，電機(jī)繞組相電流上升，采樣電阻R的電壓上升到基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)。使觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管關(guān)斷，電流下降，等待下一個(gè)振蕩脈沖的到來(lái)。這樣，觸發(fā)器輸出是恒頻的PWM信號(hào)，而繞組相電流峰值由Vref整定。CONTROL信號(hào)用以選擇斬波信號(hào)控制。當(dāng)它為低電平時(shí)，斬波信號(hào)作用于兩個(gè)禁止信號(hào)，高電平時(shí)，斬波信號(hào)作用于A，B，C，D信號(hào)。前者適用于單極性工作方式，而對(duì)于雙極性工作方式的電機(jī)，這兩種控制方式都可以采用。驅(qū)動(dòng)硬件的體系結(jié)構(gòu)由上述可知，由L297與L298組成的電路框圖如圖2-5所示。其中DSP輸出到L297有兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)為正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)信號(hào)，一個(gè)為觸發(fā)脈沖。在該電路中L297的CW／CCW和CLOCK分別和DSP控制芯片的控制口相連接，DSP芯片通過(guò)高低電平控制CW／CCW，取1和取0時(shí)的轉(zhuǎn)向相反，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過(guò)發(fā)脈沖控制CLOCK輸入口，在每一個(gè)脈沖的下降沿電機(jī)產(chǎn)生一步步進(jìn)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。D1—D8為快恢復(fù)穩(wěn)壓管，外接36V的電壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還可以把每個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路做成一個(gè)模塊，使得硬件電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。圖2-5L297+L298控制電動(dòng)機(jī)原理圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要明確設(shè)計(jì)任務(wù)，在任務(wù)書(shū)里將系統(tǒng)將要達(dá)到的功能描述準(zhǔn)確、清楚，然后應(yīng)該把設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)轉(zhuǎn)化為量化的技術(shù)指標(biāo)。由這些技術(shù)指標(biāo)大致就可以確定應(yīng)選用DSP芯片的型號(hào)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的DSP系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮的技術(shù)指標(biāo)包括：（1）由信號(hào)的頻率范圍確定系統(tǒng)的最高采樣頻率；（2）由采樣頻率及所要進(jìn)行的最復(fù)雜算法所需最大時(shí)間來(lái)判斷系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)工作；（3）由以上因素確定何種類(lèi)型的DSP芯片的指令周期可滿足需求；（4）由數(shù)據(jù)量的大小確定所使用的片內(nèi)RAM及需要擴(kuò)展的RAM的大?。唬?）由系統(tǒng)所需要的精度確定是采用定點(diǎn)運(yùn)算還是浮點(diǎn)運(yùn)算；（6）根據(jù)系統(tǒng)是計(jì)算還是控制用來(lái)確定I／O端口的需求。根據(jù)DSP芯片和技術(shù)指標(biāo)還可以初步確定A／D，D／A，RAM的性能指標(biāo)及可供選擇的產(chǎn)品。當(dāng)然，在產(chǎn)品成型時(shí)，還須考慮成本、供貨能力、技術(shù)支持、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、體積、功耗和工作環(huán)境等因素。在確定DSP芯片選型后，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。利用DSP芯片設(shè)計(jì)一個(gè)DSP系統(tǒng)的大致步驟如圖3-1所示。圖3-1DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖DSP控制器件的基本結(jié)構(gòu)和特征DSP芯片也就是數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。它最大特色是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度。為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的，DSP芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總線結(jié)構(gòu)、流水線操作功能、單周期完成乘法的硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號(hào)處理的指令集。為了快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，DSP芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)，下面以TMS320系列為例介紹DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)，TMS320系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括：哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期，這些特點(diǎn)使得TMS320系列DSP芯片可以實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算（例如乘法）能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。（1）哈佛結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)微處理器和單片機(jī)中，為了既實(shí)現(xiàn)各部分之間的數(shù)據(jù)傳輸，又能最大限度的簡(jiǎn)化硬件電路，普遍采用了總線結(jié)構(gòu)。圖3-2微處理器和單片機(jī)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)如圖3-2所示的為微處理器或單片機(jī)系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)：總線上數(shù)據(jù)采用分時(shí)操作的方法，在任何時(shí)刻，系統(tǒng)中只能有兩個(gè)電路與總線實(shí)現(xiàn)有效連接。這就是目前所有的計(jì)算機(jī)和微機(jī)的串行總線結(jié)構(gòu)，也就是馮·諾依曼（VonNeuman）結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中的程序總線和數(shù)據(jù)總線是分開(kāi)獨(dú)立的，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。而馮·諾依曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來(lái)區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)：一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性；二是指令存儲(chǔ)在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，不需要再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。（2）流水線操作流水線操作是與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)的。為了加速DSP的指令執(zhí)行速度，DSP芯片都采用流水線操作。在指指令可以分為2—6個(gè)階段不等。例如TMS320LF2407A流水線具有4個(gè)獨(dú)立的階段：取指令、指令譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行指令。這樣在任何給定的操作之內(nèi)，1—4條指令可以被激活，在同一時(shí)刻每條指令處于不同的階段。如圖3-4所示，表示單字、單周期指令且無(wú)等待狀態(tài)執(zhí)行的4級(jí)流水線操作。圖3-3DSP中的哈佛結(jié)構(gòu)圖3-4指令4級(jí)流水線操作（3）專(zhuān)用的硬件乘法器在數(shù)字信號(hào)處理當(dāng)中，乘法運(yùn)算是出現(xiàn)頻率最高的運(yùn)算之一，乘法速度越快，DSP處理器的性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故需許多個(gè)指令周期來(lái)完成，DSP芯片的特征就是有一個(gè)專(zhuān)用的硬件乘法器。在TMS320系列中，由于具有專(zhuān)用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。（4）快速的指令周期哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。TMS320系列處理器的指令周期已經(jīng)從第一代的200ns降低至現(xiàn)在的20ns以下。快速的指令周期使得DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)許多DSP應(yīng)用。TMS320LF2407的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成芯片的選型DSP系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DSP芯片的選擇。考慮系統(tǒng)要求精度，為了保證控制的實(shí)時(shí)性，還要求計(jì)算數(shù)度要快：而且，為了減少系統(tǒng)的外圍電路，最好芯片本身集成了PWM輸出電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。這樣TexasInstruments公司生產(chǎn)的電機(jī)控制專(zhuān)用芯片TMS320LF2407剛好滿足要求。TMS320LF2407芯片是TexasInstruments公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C2000系列中的C24xx中的一種，C24xxDSP采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有各自的總線結(jié)構(gòu)，從而它的處理能力達(dá)到最大；它的指令最大執(zhí)行速度為40MIPS，幾乎所有的指令都可以在一個(gè)25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢，這種高性能使復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行成為可能，同時(shí)，非常高的采樣速率也可以使環(huán)路延遲達(dá)到最??；C24xx有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且它有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所必需的外。MS3T20LF2407芯片體系結(jié)構(gòu)圍設(shè)備。TMS320LF2407具有下述功能部件：40MIPS的CPU、片內(nèi)2.5K字的RAM、32K字的FLASH、專(zhuān)用于電機(jī)控制的事件管理器（EV）和片內(nèi)外設(shè)。（1）CPU內(nèi)核TMS320LF2407是TI公司高性價(jià)比的DSP器件—TMS320C24x系列中面向控制的特殊片種，它們具有相同的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核和指令集，該指令集源碼向下兼容TMS320C2x系列、向上兼容TMS320C5x系列，具有良好的可移植性。DSP內(nèi)核的高性能運(yùn)算能力，使得TMS32LF2407可運(yùn)行復(fù)雜控制算法，如可采用高階PID算法進(jìn)行精密控制，自適應(yīng)Kalman濾波算法可減小傳感噪聲，而功率因數(shù)校正算法則可以減小功率損耗，還可以用FFT算法對(duì)電機(jī)的機(jī)械諧振、線性諧波等進(jìn)行分析。（2）事件管理器（EV）作為電機(jī)數(shù)字控制的專(zhuān)用芯片，TMS320LF2407DSP的最大特色在于內(nèi)置了兩個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器（EventManagerModules），其完備的功能使得TMSE320LF2407DSP幾乎可以實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的控制。事件管理器主要由通用定時(shí)器、全比較單元、可編程死區(qū)生成單元、捕獲單元和正交編碼電路構(gòu)成。1、通用定時(shí)器TMS32LF2407共有4個(gè)16位通用定時(shí)器。它們可用于產(chǎn)生采樣周期，為捕獲單元和正交編碼單元提供時(shí)基，也可作為比較單元產(chǎn)生CMP／PWM輸出以及軟件定時(shí)的時(shí)基。時(shí)鐘源既可以是內(nèi)部CPU時(shí)鐘，也可以是外部時(shí)鐘。每一定時(shí)器各有4種計(jì)數(shù)控式：停止／保持、連續(xù)增／減計(jì)數(shù)模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向的增／減計(jì)數(shù)模式。每一定時(shí)器各帶一個(gè)比較邏輯單元，當(dāng)計(jì)數(shù)器值和比較寄存器值相等時(shí)，比較匹配發(fā)生，從而在定時(shí)器的PWM輸出引腳TxPWM／TxCMP上產(chǎn)生CMP／PWM脈沖?？稍O(shè)置控制寄存器GPTCONx中的相應(yīng)位，選擇下溢、比較匹配或周期匹配時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器。2、全比較單元事件管理器模塊EVA和EVB都有3個(gè)全比較單元，每個(gè)單元有兩個(gè)相應(yīng)的PWM輸出。通過(guò)設(shè)置定時(shí)器為不同方式，可選擇全比較單元輸出非對(duì)稱PWM波形、對(duì)稱PWM波形或空間矢量SPWM波形。全比較單元輸出的12路PWM電壓波形可控制步進(jìn)電機(jī)。3、捕獲單元捕獲單元被用于高速I(mǎi)／O的自動(dòng)管理，它監(jiān)視輸入引腳上信號(hào)的變化，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值，即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻。該部件的工作由內(nèi)部定時(shí)器同步，不用CPU干預(yù)。TMS320LF2407共有6個(gè)捕獲單元，EVA的捕獲單元為CAP1、CAP2、CAP3，EVB的捕獲單元為CAP4、CAP5、CAP6，每個(gè)捕獲單元都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的2級(jí)深度的FIFO堆棧。4、正交編碼電路常用的位置反饋檢測(cè)元件為光電編碼器，它直接將電機(jī)角度和位移的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其輸出一般有A，B和同步脈沖信號(hào)C，A和B兩路相位差為90度，被用于判別方向和計(jì)量位移。A，B兩路脈沖可直接作為T(mén)MS320LF2407的CAP1／QEP1和CAP2／QEP2引腳的輸入。正交編碼脈沖電路的時(shí)間基準(zhǔn)可以由定時(shí)器2（EVB模塊為通用定時(shí)器4）提供，同時(shí)定時(shí)器必須設(shè)置成定向的增／減計(jì)數(shù)模式，并以QEP電路作為時(shí)鐘源。QEP單元中的方向檢測(cè)邏輯首先判斷兩脈沖前沿到達(dá)的先后，進(jìn)而決定計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，實(shí)現(xiàn)鑒相，計(jì)數(shù)器在兩路脈沖的上升沿和下降沿均觸發(fā)計(jì)數(shù)，從而達(dá)到4倍頻。（3）片內(nèi)外設(shè)TMS320LF2407片內(nèi)外設(shè)包括一對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串口和看門(mén)狗定時(shí)器?！／D轉(zhuǎn)換器TMS320LF2407中內(nèi)置有兩個(gè)具有采樣／保持的10位ADC轉(zhuǎn)換器，可用于并行處理模擬量，模擬量包括：反饋的速度、位置、溫度傳感、電壓傳感和電流傳感信號(hào)等。·SPI串口和SCI串口TMS320LF2407片內(nèi)外設(shè)還包括一個(gè)異步串行通訊口（SCI）和一個(gè)同步串行外設(shè)接口（SPI）。SCI口即通用異步收發(fā)器（DART），用于與PC機(jī)串口等標(biāo)準(zhǔn)器件通信，可采用RS-232／485協(xié)議等，最大波特率625kbps。SPI口可用于同步數(shù)據(jù)通信，最大波特率2.5Mbps。典型應(yīng)用包括外部I／O或外設(shè)擴(kuò)展，如移位寄存器、顯示驅(qū)動(dòng)、A／D轉(zhuǎn)換器等。SPI口共有3根通信線：串行輸入數(shù)據(jù)線SPISOMI，串行輸出數(shù)據(jù)線SPISIMO和同步時(shí)鐘線SPICLK，另1根控制線SPISTE是從機(jī)選通線?！た撮T(mén)狗定時(shí)器看門(mén)狗定時(shí)器是一個(gè)8位增量計(jì)數(shù)器。在正常工作情況下，程序周期性地對(duì)定時(shí)器進(jìn)行清零，若程序運(yùn)行出錯(cuò)，飛出或死機(jī)，則定時(shí)器溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的DSP控制芯片在電機(jī)控制中的應(yīng)用以前，由于傳統(tǒng)單片機(jī)的性能價(jià)格比較高，在電機(jī)中大都采用單片機(jī)來(lái)控制。但單片機(jī)的指令系統(tǒng)較復(fù)雜，多數(shù)指令需要2-3個(gè)指令周期才能完成，而且單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在同一空間、同一時(shí)刻只能訪問(wèn)指令或數(shù)據(jù)。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的指令系統(tǒng)造成其運(yùn)算速度較慢、處理能力有限，特別是在采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)用性和精度要求高，因此，單片機(jī)不能滿足要求。而DSP器件具有較高的集成度，具有比單片機(jī)更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。最為突出的是，DSP器件精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)（大多數(shù)指令能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成）、獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。采用基于DSP的電機(jī)專(zhuān)用集成電路的另一個(gè)好處是，可以降低對(duì)傳感器等外圍器件的要求。而且，DSP控制器能自接以動(dòng)態(tài)控制方式運(yùn)行，無(wú)需依賴于過(guò)去查尋圖表的方式。在高速控制中，使用DSP可進(jìn)行通常的位檢測(cè)和邏輯運(yùn)算以及高速數(shù)據(jù)傳送。隨著價(jià)格的日益下降，性能不斷提高，采用DSP器件代替單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)將成為電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。DSP用于電機(jī)控制有很多好處：（1）執(zhí)行高級(jí)運(yùn)算，減少力矩紋波，從而低振動(dòng)、長(zhǎng)壽命；（2）高級(jí)運(yùn)算使得諧波小，很容易滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，降低濾波器成本；（3）提供無(wú)傳感器運(yùn)算，省去位置和速度傳感器；（4）減少查詢表，降低內(nèi)存需求；（5）實(shí)時(shí)產(chǎn)生平滑的、近乎完美的參考模型，獲得好的性能；（6）控制逆變器，產(chǎn)生高精度PWM輸出；（7）提供單片控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)的DSP控制原理DSP事件管理器的比較單元總共可以產(chǎn)生12路PWM脈沖，算上通用定時(shí)器的比較操作總共可以提供16路PWM。每個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要2路PWM，一路用于轉(zhuǎn)向控制，一路用于步進(jìn)控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)控制信號(hào)工作的，在步進(jìn)電機(jī)的DSP控制中，控制信號(hào)是由DSP產(chǎn)生的。其基本控制作用如下：（1）換相順序步進(jìn)電機(jī)的通電換相順序是嚴(yán)格按照步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行的，通常把通電換相這一過(guò)程稱為“脈沖分配”。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單三拍工作方式，其各相通電的順序?yàn)锳—B—C，通電控制脈沖必須嚴(yán)格地按照這一順序的分別控制A，B，C相的通電和斷電。（2）步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)前面介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理我們已經(jīng)知道按給定的工作方式正序通電換相步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。例如四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在單四拍方式，通電換相的正序是A—B—C—D，電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)，如果按反序A—D—C—B，電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。（3）步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快，因此，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配的方法有兩種：軟件法和硬件法。簡(jiǎn)要說(shuō)明一下：軟件法是完全按照軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過(guò)DSP的PWM輸出口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。具體方法是在周期中斷時(shí)，在中斷處理子程序時(shí)，通過(guò)修改比較方式寄存器ACTRA／B中的相應(yīng)位為“強(qiáng)制高”或“強(qiáng)制低”來(lái)控制某相通斷電，實(shí)現(xiàn)換相。但這種方法是以犧牲DSP機(jī)時(shí)和資源來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)的硬件成本降低。在本系統(tǒng)中，采用的是硬件法實(shí)現(xiàn)脈沖分配，所謂硬件法，實(shí)際上就是使用脈沖分配器芯片或配套電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行通電換相控制，這樣就節(jié)約了DSP的機(jī)時(shí)和資源，因此利用LF2407最多可以實(shí)現(xiàn)四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的多軸聯(lián)動(dòng)控制。另外，關(guān)于轉(zhuǎn)向控制，可以利用DSP的PWM口的“強(qiáng)制高”輸出（正轉(zhuǎn)）和“強(qiáng)制低”輸出（反轉(zhuǎn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以自接用I／O口輸出高低電平實(shí)現(xiàn)，要看如何分配的系統(tǒng)引腳資源。這里再詳細(xì)說(shuō)一下關(guān)于步進(jìn)電機(jī)速度的控制，如前所述，步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過(guò)控制DSP發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體地說(shuō)，就是通過(guò)控制DSP定時(shí)器的周期值來(lái)控制步進(jìn)脈沖的頻率。不過(guò)，對(duì)于硬脈沖分配方式，應(yīng)該在PWM口發(fā)出占空比為50%的脈沖方波，也就是相應(yīng)的比較寄存器的比較值等于1／2周期值。輸出PWM周期與DSP周期值的計(jì)算關(guān)系如下：PWM波形對(duì)稱時(shí)：PWM波形非對(duì)稱時(shí)：式中：Tpwm——PWM載波周期；TxPR——周期寄存器的周期值；Tclk——定時(shí)器時(shí)鐘；Prescale——分頻系數(shù)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明同所有的電機(jī)控制系統(tǒng)一樣，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)也有自己的控制部分。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)TMS320LF2407A芯片內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)序控制邏輯，它們用來(lái)產(chǎn)生CPU的操作時(shí)序。與該部分有關(guān)的引腳有四個(gè)，分別是：（1）CLKOIIT—主時(shí)鐘輸出端；（2）XTAL1／CLKIN——PLL，振蕩器輸入引腳；（3）XTAL2——PLL振蕩器輸出引腳；（4）XF／XPLLDIO——PLL禁止位。復(fù)位時(shí)CPU會(huì)對(duì)此引腳進(jìn)行采樣，為低電位時(shí)PLL被禁止。TMS320LF2407A的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器由振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）等組成。通過(guò)外部諧振電路和內(nèi)部振蕩器的協(xié)調(diào)工作，可在芯片內(nèi)部產(chǎn)生CLKIN信號(hào)，并產(chǎn)生與CLK1N信號(hào)有關(guān)的CLKOUT信號(hào)。鎖相環(huán)的作用是使CLKOUT的頻率為CLKIN頻率的倍頻，并鎖存CLKOUT的相位?？梢酝ㄟ^(guò)內(nèi)部振蕩器或外部振蕩器方式來(lái)產(chǎn)生CLKIN信號(hào)。本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信號(hào)采用一個(gè)外部有源晶體振蕩器產(chǎn)生。TMS320LF2407A芯片具有鎖相環(huán)的功能，用來(lái)從一個(gè)較低頻率的外部時(shí)鐘獲得較高的內(nèi)部時(shí)鐘頻率，倍頻數(shù)可為0.5—4倍，由編程實(shí)現(xiàn)。外部鎖相環(huán)電路如圖3-5所示。圖3-5外部鎖相環(huán)電路此鎖相環(huán)電路連接DSP的引腳PLE和PLF2，以組成PLL濾波電路。設(shè)計(jì)選用10M外部時(shí)鐘輸入，由其內(nèi)部鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘預(yù)定目標(biāo)。選用KSSPG晶振。由于主控芯片TMS320LF2407A為3.3V微處理器，為了使晶振的供電電源方便，因此我門(mén)選用工作電壓為3.3V晶振，使得時(shí)鐘輸入電路具有簡(jiǎn)單、可靠性高、易調(diào)試的特點(diǎn)。時(shí)鐘輸入電路如圖3-6中所示。其中工作電壓為3.3V電壓，晶振的時(shí)鐘輸出引腳CLKIN接至TMS320LF2407A的123號(hào)時(shí)鐘輸入引腳XTALl／CLKIN，NC引腳接至XTAL2。圖3-6時(shí)鐘電路復(fù)位電路設(shè)計(jì)TMS320LF2407A芯片具有復(fù)位操作功能。引腳RS為復(fù)位電平輸入引腳，此引腳輸入低電平時(shí)復(fù)位有效。RS是不可屏蔽的外部中斷，并具有最高優(yōu)先級(jí)，可以在上電或芯片工作的任何時(shí)候進(jìn)行復(fù)位，以便把TMS320LF2407A芯片置為初始狀態(tài)。通常在上電之后，系統(tǒng)的振蕩器處于不穩(wěn)定的起振工作階段，芯片也就處在未知狀態(tài)，因此，在每次上電之后都應(yīng)使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，即使RS引腳電平為低。

本次設(shè)計(jì)采用的復(fù)位電路由3.3V電源接通DSP的RST引腳，達(dá)到復(fù)位的目的。硬件如圖3-7所示：圖3-7復(fù)位電路外部存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)控制板電路采用ISSI公司的IS61LV6416芯片作為擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器SRAM該芯片總共64K字，16位，單3.3V電源供電，由于采用ISSI公司的高性能CMOS技術(shù)，使得其讀取速度最小可達(dá)到8ns。

本設(shè)計(jì)中僅采用相對(duì)簡(jiǎn)單的步進(jìn)控制算法，沒(méi)有其它一些復(fù)雜煩瑣的運(yùn)算程序，因此所需的存儲(chǔ)空間并不很大。為了節(jié)約成本，設(shè)計(jì)中僅采用了一片IA61LV6416芯片，只用作外部程序存儲(chǔ)器使用，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用DSP內(nèi)部的內(nèi)存。TMS320LF2407A芯片的87，82號(hào)引腳分別為DS，PS引腳。它們的作用是分別提供外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。一般情況下，DS，PS被拉高后分別與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)相連，當(dāng)軟件執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)地址為片外存儲(chǔ)器地址時(shí)，DS引腳被系統(tǒng)拉低，選通外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。相應(yīng)的，PS在設(shè)計(jì)中也被拉高，當(dāng)軟件執(zhí)行過(guò)程中的程序地址為片外存儲(chǔ)器地址時(shí)，PS引腳被系統(tǒng)拉低，選通外部程序存儲(chǔ)空間。

本設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共用一塊64K字的IS61LV6416芯片，本控制板中采用了如圖3-9所示的設(shè)計(jì)。LB和UB是高，低BYTE的控制腳，低電平有效，所以兩腳都接地。CE為芯片工作引腳，寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)WE為低電平有效，讀芯片數(shù)據(jù)時(shí)CE和OE必須為底電平，才能有效。DS，PS分別為T(mén)MS320LF2407A的外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，CE為IA61LV6416芯片的選通信號(hào)，為低電平有效。DSPS的結(jié)果作為CE信號(hào)，DS信號(hào)直接連接到IA61LV6416芯片的最高位地址線A15。這樣，可以得到如表3-1所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。據(jù)表3-1的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析：（1）當(dāng)DS，PS均為1時(shí)，程序指令、數(shù)據(jù)均從DSP芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取，此時(shí)，CE為1，外部存儲(chǔ)器沒(méi)有被選通；（2）DS為0，PS為1時(shí)，DSP需要從片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀數(shù)，此時(shí)CE為1外部存儲(chǔ)器沒(méi)有被選通；（3）DS為1，PS為0時(shí)，DSP需要從片外程序存儲(chǔ)器取指，此時(shí)CE為0，外部存儲(chǔ)器被選通，64K存儲(chǔ)器的64K作為外部程序存儲(chǔ)器被使用；通過(guò)以這種方法，就合理地將一片64K字的SRAM作為外部程序存儲(chǔ)器使用，而外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用DSP內(nèi)部資源。表3-1外部存儲(chǔ)器選通邏輯關(guān)系圖3-8外部存儲(chǔ)器電路JTAG仿真JTAG目標(biāo)器件通過(guò)專(zhuān)用的仿真端口支持仿真，此端口由仿真器直接訪問(wèn)并提供仿真功能。JTAG接口電路為仿真器與微機(jī)的接口電路，便于系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試。在仿真器和JTAG目標(biāo)系統(tǒng)之間提供高質(zhì)量的信號(hào)是極為重要的，用戶必須提供正確的信號(hào)緩沖，測(cè)試時(shí)鐘輸入以及多處理器的內(nèi)部連接，以確保仿真器和目標(biāo)系統(tǒng)良好工作。為了便于DSP寫(xiě)入程序，設(shè)計(jì)了JTAG仿真接口。如圖3-9所示：電路與DSP的TMS，TDI，TDO，TCK，EMU0，TRST，EMU1的引腳相連組成JTAG仿真接口。TMS引腳帶內(nèi)部上拉的JTAG方式選擇，該串行控制輸入在TCK的上升沿鎖存到TAP控制器中。TDI引腳帶內(nèi)部上拉JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，在TCK的上升沿從TDI輸入的數(shù)據(jù)的鎖存到選定的寄存器中。TDO為JTAG掃描輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，在TCK的下降沿，選定寄存器的內(nèi)容被移出到TDO的引腳。TCK為帶內(nèi)部上拉的JTAG測(cè)試時(shí)鐘。EMU0帶內(nèi)部上拉仿真器I／O引腳，當(dāng)TRST引腳被拉高時(shí)，該引腳用作仿真器的中斷，通過(guò)JTAG掃描可定義為I／O引腳；TRST引腳帶內(nèi)部下拉的JTAG的測(cè)試復(fù)位，當(dāng)TRST拉高時(shí)，掃描控制系統(tǒng)的控制控制器運(yùn)行，若該引腳未接或低電平時(shí)，控制器運(yùn)行在功能方式，并且測(cè)試復(fù)位信號(hào)無(wú)效。EMU1仿真器引腳，該引腳禁止所有的輸出，當(dāng)TRST引腳拉高時(shí)，該引腳用作來(lái)自或到仿真器的中斷。相反，該引腳為OFF引腳。圖3-9JTAG仿真電路電源模塊DSP的的內(nèi)核是低功耗的3.3V電壓設(shè)計(jì)，其外設(shè)部分（包括ADC）的電壓也需要3.3V，但是需要單獨(dú)供電。雙重電壓調(diào)整器TPS73HD318設(shè)計(jì)主要為DSP應(yīng)用，DropoutVoltage<80Mv，I0=100mA，工作在空氣溫度范圍為（-40—125）攝氏度。由于DSP的功能強(qiáng)大，所以它需要外部供電電壓較多.如：12號(hào)引腳PLLVCCAA為PLL電壓3.3V。VDD為內(nèi)核電源電壓3.3V；VDDO為I／O緩沖器電源電壓+3.3V；VSS為數(shù)字參考地，VSSO為I／O緩沖器地。按鍵接口設(shè)計(jì)電路在設(shè)計(jì)中，用按鍵的響應(yīng)作為I／O端口的輸入信號(hào)，用做控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。IOPA3，IOPA4，IOPA5設(shè)置為通用I／O口，輸入狀態(tài)，外接3個(gè)按鍵。

該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，編程方便且直觀，采用軟件延時(shí)的方法消除抖動(dòng)，電路圖如圖3-11.隔離電路步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，工作電壓高于DSP電壓，因此DSP與驅(qū)動(dòng)電路間要有隔離電路。本系統(tǒng)采用光電耦合器來(lái)完成信號(hào)的隔離，以避免前后兩級(jí)信號(hào)產(chǎn)生相互干擾，電壓至+5V，輸出最大電流可達(dá)50mA，能夠與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制端直接接口。如圖3-12所示為光耦隔離通道中的一路。圖3-10電源模塊電路圖3-11TMS320LF2407與按鍵接口電路圖3-12光耦隔離通道電路控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的基本思想為了使控制系統(tǒng)各種硬件能夠正常運(yùn)行，有效地實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須有高質(zhì)量的軟件支持。因此，用匯編或者其他高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的組成部分?？刂葡到y(tǒng)中控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)最終是靠應(yīng)用程序來(lái)完成的。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的好壞，將直接決定了系統(tǒng)的控制質(zhì)量和它的效率。因此，在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)了解應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的基本要求，主要有以下二點(diǎn)：（1）實(shí)時(shí)性電機(jī)控制都是快速的實(shí)時(shí)控制。所以它的軟件必須是實(shí)時(shí)控制軟件。所謂的“實(shí)時(shí)性”是指在一定的時(shí)間限制內(nèi)，DSP必須完成一系列的軟件處理過(guò)程，例如對(duì)電機(jī)的被控參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、電流、電壓等）的反饋信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算、邏輯判斷，按規(guī)定的控制算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，輸出控制信號(hào)，以及對(duì)突然出現(xiàn)的故障報(bào)警和處理等。TMS320LF2407的代碼通過(guò)編譯后變?yōu)楦咝实膮R編語(yǔ)言執(zhí)行，滿足實(shí)時(shí)性的要求。（2）可靠性軟件的可靠性是指軟件在運(yùn)行過(guò)程中避免發(fā)生故障的能力，以及一旦發(fā)生故障后的解脫和排除故障的能力。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些非正常情況，如過(guò)載、超速等情況。（3）易修改性

一個(gè)好的完整的控制軟件，都不是一次設(shè)計(jì)和調(diào)試完成的。常常是邊設(shè)計(jì)，邊調(diào)試，經(jīng)過(guò)逐次修改和不斷完善，最終才能滿足所要求的功能和特性。因此，軟件在一開(kāi)始總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須要有良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以有利于提高軟件在反復(fù)調(diào)試，修改和補(bǔ)充過(guò)程中的效率，且保證最終完成的軟件仍具有簡(jiǎn)潔明了的結(jié)構(gòu)。主程序設(shè)計(jì)與分析本文的主程序主要包括兩部分：（1）完成通電后的變量初始化，系統(tǒng)初始化，I／O口初始化及PWM初始化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)DSP的初始化；（2）鍵盤(pán)掃描和鍵盤(pán)服務(wù)程序，判斷是否有按鍵按下，并且根據(jù)所按的按鍵執(zhí)行其相應(yīng)的服務(wù)子程序。本系統(tǒng)包含一些中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行電機(jī)控制，主程序采用順序式結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中可以被中斷服務(wù)子程序中斷，執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序后返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行主程序。在設(shè)計(jì)中，采用了兩套方案實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，經(jīng)驗(yàn)證均可使用，兩套方案最大的區(qū)別在于PWM脈沖的產(chǎn)生，一套是用了定時(shí)器1和定時(shí)器2比較輸出脈沖，另一套只用了比較單元的輸出脈沖，本文著重介紹前一套方案，其程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)通電后，DSP正常工作前，需要進(jìn)行初始化設(shè)定以確定其工作方式、工作時(shí)鐘、看門(mén)狗、等待狀態(tài)發(fā)生器。設(shè)置通用I／O的功能、設(shè)置可屏蔽中斷優(yōu)先級(jí)，建立中斷向量表，設(shè)定CPU定時(shí)器產(chǎn)生中斷的周期。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要正常工作，也要對(duì)初始化設(shè)置時(shí)間管理器，以產(chǎn)生正確的PWM脈沖。圖4-1主程序結(jié)構(gòu)框圖變量初始化本系統(tǒng)中對(duì)步進(jìn)電機(jī)的主要用途就是實(shí)現(xiàn)位置控制，即控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另一個(gè)位置。而對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置控制的一般做法是：步進(jìn)電機(jī)每走一步，步數(shù)減1，如果沒(méi)有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，步數(shù)正好減到0。因此，在本文電機(jī)控制程序中，每個(gè)電機(jī)分別有3個(gè)控制變量，包括方向、總步數(shù)和實(shí)際步數(shù)。正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，總步數(shù)減1，實(shí)際步數(shù)加1，總步數(shù)為零時(shí)，電機(jī)準(zhǔn)備開(kāi)始轉(zhuǎn)向，在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，總步數(shù)加1，實(shí)際步數(shù)減1，這樣，通過(guò)比較總步數(shù)和實(shí)際步數(shù)，可以在CCS（DSP軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境）中監(jiān)控電機(jī)是否失步。系統(tǒng)初始化主要完成禁止中斷、抑制符號(hào)擴(kuò)展、累加器中結(jié)果正常溢出、配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、設(shè)置CLKOUT、清除所有中斷標(biāo)志和不使能所有等待狀態(tài)等指令。I／O口初始化TMS320LF2407的數(shù)字輸入／輸出引腳均為功能復(fù)用引腳，即這些引腳既可以作I／O功能（雙向數(shù)據(jù)輸入／輸出）引腳，也可作特殊功能（如PWM輸出、捕獲輸入、串行輸入輸出等）引腳。數(shù)字I／O模塊負(fù)責(zé)對(duì)這些引腳進(jìn)行控制和設(shè)置。本系統(tǒng)采用了IOPA3，IOPA4，IOPA5設(shè)置為通用I／O口，輸入狀態(tài)，外接3個(gè)按鍵；由PWM3，PWM4兩個(gè)引腳輸出PWM。PWM初始化本系統(tǒng)采用非對(duì)稱PWM，根據(jù)公式（3-2）可以配置TxPR和TxCON并且由此得出中斷時(shí)間。TMS320LF2407總共有16路PWM輸出，PWM3，PWM4輸出的PWM占空比均為50%，并且都為強(qiáng)制高。產(chǎn)生PWM輸出的設(shè)置驟如下：（1）設(shè)置和裝載ACTRx寄存器；（2）如果使能死區(qū)，則設(shè)置和裝載DBTCONx寄存器；（3）設(shè)置和裝載T1PR或T3PR寄存器，即規(guī)定PWM波形的周期；（4）初始化CMPRx寄存器；（5）設(shè)置和裝載COMCONx寄存器；（6）設(shè)置和裝載T1CON或T3CON寄存器，來(lái)啟動(dòng)比較操作。鍵盤(pán)掃描和服務(wù)程序在前面介紹過(guò)本系統(tǒng)采用3個(gè)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中鍵盤(pán)掃描和鍵盤(pán)服務(wù)程序流程圖分別如圖4-2和圖4-3所示圖4-2中的K為鍵盤(pán)掃描程序的返回值，當(dāng)K=1時(shí)表示有按鍵按下；圖4-3中的3個(gè)鍵盤(pán)端口值為按鍵按下后給I／O口的輸入信號(hào)，分別代表了3個(gè)按鍵，根據(jù)按下的按鍵給S賦值，這樣，在中斷服務(wù)程序中，根據(jù)S的取值選擇相應(yīng)的電機(jī)控制程序。中斷服務(wù)程序TMS320LF2407內(nèi)核提供一個(gè)不可屏蔽的中斷NMI和6個(gè)按優(yōu)先級(jí)獲得服務(wù)的可屏蔽中斷INTl至INT6。而這6個(gè)中斷級(jí)的每一個(gè)都可被很多外設(shè)中斷請(qǐng)求共享。TMS320LF2407通過(guò)中斷系統(tǒng)中的一個(gè)兩級(jí)中斷來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)可響應(yīng)的中斷個(gè)數(shù)。因此DSP的中斷請(qǐng)求／應(yīng)答硬件邏輯和中斷服務(wù)程序軟件都是一個(gè)兩級(jí)的層次結(jié)構(gòu)。在底層中斷，從幾個(gè)外設(shè)來(lái)的外設(shè)中斷請(qǐng)求（PIRQ）在中斷控制器處“相或”產(chǎn)生一個(gè)到CPU的中斷請(qǐng)求（INTn）。這就是內(nèi)核級(jí)的中斷請(qǐng)求。在外設(shè)配置寄存器中對(duì)每一個(gè)產(chǎn)生外設(shè)中斷請(qǐng)求的事件都有一個(gè)中斷使能位和中斷標(biāo)志位。如果一個(gè)引起中斷的外設(shè)事件發(fā)生且相應(yīng)的中斷使能位被置1，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從外設(shè)到中斷控制器的中斷請(qǐng)求。這個(gè)中斷請(qǐng)求反映了外設(shè)中斷標(biāo)志位的狀態(tài)和中斷使能位的狀態(tài)，當(dāng)中斷標(biāo)志位被清零時(shí)，中斷請(qǐng)求也被清零。圖4-2鍵盤(pán)掃描程序流程圖對(duì)某些設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)的外設(shè)事件，當(dāng)這類(lèi)事件發(fā)生時(shí)，其中斷優(yōu)先級(jí)的值也被送到中斷控制器，而中斷請(qǐng)求也是保持到中斷應(yīng)答或軟件將其清零。在高層中斷中，多個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求產(chǎn)生一個(gè)到CPU的中斷（INTn）請(qǐng)求，到TMS320LF2407的中斷請(qǐng)求信號(hào)是一個(gè)為2個(gè)CPU時(shí)鐘脈沖寬的低電平脈沖。當(dāng)任何一個(gè)控制INTn的外設(shè)中斷請(qǐng)求PIRQ有效時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)到CPU的中斷請(qǐng)求脈沖INTn。并且如果一個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求PIRQ在CPU對(duì)INTn應(yīng)答后的一個(gè)周期內(nèi)仍然有效時(shí)，則另一個(gè)中斷請(qǐng)求脈沖INTn也會(huì)產(chǎn)生。CPU總是響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的外設(shè)中斷請(qǐng)求。在CPU內(nèi)核這些中斷標(biāo)志在CPU響應(yīng)中斷時(shí)自動(dòng)清零。注意，不是在外設(shè)中斷級(jí)將中斷標(biāo)志清零。當(dāng)CPU接受中斷請(qǐng)求時(shí)，它并不知道是哪一個(gè)外設(shè)事件引起的中斷請(qǐng)求。因此為了讓CPU能夠區(qū)別這些引起中斷的外設(shè)事件，在每個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求有效時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)唯一的外設(shè)中斷向量，這個(gè)外設(shè)中斷向量被裝載外設(shè)中斷向量寄存器（PIVR）里面。CPU應(yīng)答外設(shè)中斷時(shí)，從PIVR寄存器中讀取相應(yīng)中斷的向量，并產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)到該中斷服務(wù)子程序入口的向量。用C語(yǔ)言對(duì)DSP系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)始時(shí)，有兩種方法實(shí)現(xiàn)可屏蔽的中斷：（1）通過(guò)軟件識(shí)別中斷標(biāo)志的方法實(shí)現(xiàn)可屏蔽的中斷；（2）通過(guò)外圍中斷向量寄存器PIVR的值識(shí)別中斷的方法實(shí)現(xiàn)可屏蔽的中斷。圖4-3鍵盤(pán)服務(wù)程序流程圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)物圖本次實(shí)驗(yàn)所用DSP開(kāi)發(fā)板及其步進(jìn)電機(jī)等相關(guān)器件如下圖5-1所示：上電情況下的開(kāi)發(fā)板和仿真器及其步進(jìn)電機(jī)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)視頻，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)心得體會(huì)和工作總結(jié)第一次接觸DSP是大四上學(xué)期，當(dāng)時(shí)在師兄的帶領(lǐng)下做了一次H橋的逆變實(shí)驗(yàn)，但整個(gè)過(guò)程幾乎都是在看師兄調(diào)試，自己并沒(méi)有動(dòng)手，也搞不懂DSP程序的構(gòu)成與外接電路的作用。上研后看到有DSP課程我便毫不猶豫的選了，希望能夠自己獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)調(diào)試工作，無(wú)論是對(duì)自己能力里的提升還是今后科研工作的進(jìn)行都是大有益處的。本次設(shè)計(jì)主要研究基于DSP的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。論文的主要工作總結(jié)如下：。（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)：論文選取二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行電機(jī)，在詳細(xì)的分析了DSP控制的原理基礎(chǔ)，選取TI公司的TMS320LF2407A作為控制核心。（2）在硬件控制系統(tǒng)方面，詳細(xì)討論了TMS320LF2407的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)的DSP控制方法，完成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵控制、PWM產(chǎn)生以及各種外圍電路等單元的設(shè)計(jì)和調(diào)試，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。（3）在軟件控制系統(tǒng)方面，詳細(xì)討論了該控制系統(tǒng)的組織體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了控制單元的軟件系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的電機(jī)控制等流程圖。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究：本人認(rèn)真研究和分析了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、原理，構(gòu)建了DSP控制系統(tǒng)，使我對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)有了深入的理解。本論文針對(duì)DSP控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用了硬件分配脈沖的方式，改善控制性能。由于本課題研究時(shí)間較短和其它種種客觀條件的限制，本文在控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性方面還存在一些缺點(diǎn)和不足，部分工作還需要完善，論文還存在的幾個(gè)尚需完善的地方：（1）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上可以考慮可采用高速數(shù)據(jù)處理器DSP芯片和89MC196單片機(jī)雙CPU構(gòu)成高速實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。89MC196單片機(jī)主要對(duì)DSP進(jìn)行控制，檢測(cè)轉(zhuǎn)速指令和轉(zhuǎn)度反饋，并完成鍵盤(pán)操作、LED顯示和系統(tǒng)保護(hù)：DSP完成控制的算法。這樣整個(gè)系統(tǒng)在快速性及準(zhǔn)確性上將大大地改善，井實(shí)現(xiàn)外部良好的人機(jī)接口功能。保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)全數(shù)字化控制的實(shí)時(shí)性要求。還有遺憾的是，沒(méi)有對(duì)電路的開(kāi)關(guān)電源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。（2）由于條件限制，沒(méi)有做具體的帶載試驗(yàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體參數(shù)等需要在實(shí)際的試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步確定完善。（3）對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，以求結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)謹(jǐn)，功能更加強(qiáng)大。（4）加入反饋控制單元，實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的速度及位置，采用定步法計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖時(shí)間常數(shù)，并對(duì)控制信號(hào)線性化處理，進(jìn)一步減小電機(jī)失步的可能性。（5）系統(tǒng)擴(kuò)展后，增加了電機(jī)，要解決好幾個(gè)中斷互相影響的問(wèn)題。在論文的進(jìn)行過(guò)程中，隨著對(duì)相關(guān)知識(shí)的廣泛涉獵，本人對(duì)電動(dòng)機(jī)控制有了深入的學(xué)習(xí)?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展；現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為電動(dòng)機(jī)控制的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件，這種發(fā)展對(duì)各行各業(yè)的影響是巨大的。進(jìn)入21世紀(jì)后，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)更為明顯，相信隨著計(jì)算機(jī)控制理論電機(jī)和電子器件的發(fā)展，各種控制系統(tǒng)性能將會(huì)不斷提高?；贑8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究HYPERLINK"/detail.htm?294085