基于TMS320C2000系列DSP的步進(jìn)電機(jī)控制方法研究

朱成喜

（江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州213001）

0 引言

目前步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字控制系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用得十分廣泛，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電脈沖信號(hào)也可以由很多種方式來(lái)產(chǎn)生，比如單片機(jī)、PLC等控制芯片產(chǎn)生脈沖信號(hào)，但這些方法可能存在輸出電脈沖不穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)性差等缺點(diǎn)。因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種使用TMS320C2000系列DSP控制步進(jìn)電機(jī)的方法，基于DSP的事件管理器產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波功能，對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)采用四相八拍的通電方式，利用輸出PWM波的順序和調(diào)節(jié)PWM波的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以達(dá)到穩(wěn)定控制步進(jìn)電機(jī)的目的。

1 步進(jìn)電機(jī)控制原理

本系統(tǒng)控制對(duì)象以 M35SP－7N為例，其步進(jìn)角為7.5°，是一種單極性的四相五線步進(jìn)電機(jī)。它的引腳與線圈對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 M35SP－7N引腳與線圈的對(duì)應(yīng)關(guān)系

步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D四相分別對(duì)應(yīng)DSP的引腳PWM1、PWM2、PWM3和PWM4。步進(jìn)電機(jī)的控制一般分為四相四拍和四相八拍兩種方式，我們使用DSP的事件管理器來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)。

2 DSP控制信號(hào)原理

TMS320C2000內(nèi)設(shè)有事件管理器EV，事件管理器的比較單元可以產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波。其中比較單元1可產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM1和PWM2波形，比較單元2可產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM3和PWM4波形。我們可以利用PWM1、PWM2、PWM3和PWM4這四路PWM波為步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

比較單元1和比較單元2全部使用定時(shí)器T1作為時(shí)基，使定時(shí)器T1工作在連續(xù)增計(jì)數(shù)模式。圖2為比較單元1產(chǎn)生PWM1和PWM2的原理。

圖2 比較單元1產(chǎn)生PWM波原理

比較單元2利用比較寄存器CMPR2與T1CNT的比較匹配點(diǎn)產(chǎn)生PWM3和PWM4波。原理與比較單元1相同。

由于使用比較匹配點(diǎn)產(chǎn)生的PWM波都是互補(bǔ)的波形，不會(huì)產(chǎn)生四相四拍的脈沖波形，所以我們使用比較單元的強(qiáng)制電平高和強(qiáng)制電平低來(lái)產(chǎn)生。此功能由事件管理器EVA的比較行為控制寄存器A來(lái)完成。產(chǎn)生四相PWM脈沖的原理如圖3所示。

圖3 四相PWM脈沖產(chǎn)生原理

脈沖的高電平時(shí)間t即為PWM波的周期T，即：

式中，T1PR為周期寄存器的值；T1CLK為計(jì)數(shù)脈沖的周期。

由式（1）可知，通過(guò)改變T1CLK和T1PR的值即可改變脈沖的頻率。并且在編程時(shí)，也可改變PWM波高電平的寬度，從而使脈沖的頻率進(jìn)行整數(shù)倍的分頻。即脈沖的脈寬t為：

本系統(tǒng)控制對(duì)象以 M35SP－7N為例，其步進(jìn)角為7.5°，即電機(jī)運(yùn)行一周需要的脈沖數(shù)為：

由式（2）和（3）可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速n（r／min）為：

由式（4）可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)周期寄存器T1PR的周期值、計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖T1CLK的頻率以及分頻數(shù)j的值，達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要完成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和位置調(diào)節(jié)，程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)程序主要分為主函數(shù)流程圖和中斷子程序流程圖。其中主程序主要完成一些初始化的操作，包括系統(tǒng)控制初始化、事件管理器初始化、GPIO初始化、各中斷初始化等。初始化結(jié)束后，程序進(jìn)入死循環(huán)，等待周期中斷。每隔一定時(shí)間，程序便會(huì)進(jìn)入周期中斷子程序，它主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速及位置的調(diào)節(jié)。電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)提供正向或反向脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速通過(guò)設(shè)置T1PR、T1CLK和j的值調(diào)節(jié)，而位置通過(guò)提供給電機(jī)特定的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究設(shè)計(jì)了一種使用TMS320C2000系列DSP控制步進(jìn)電機(jī)的方法，基于DSP的事件管理器產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波功能，利用輸出PWM波的順序和調(diào)節(jié)PWM波的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以達(dá)到穩(wěn)定控制步進(jìn)電機(jī)的目的。

［1］顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP——基于TMS320X281x［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.