基于TMS320F28335的步进电机的控制

DSP控制器原理及应用课程报告基于TMS320F28335的步进电机控制小组成员：张东海指导教师：陈刚副教授2016年12月组员分工目录1 绪论 (1)1.1课题提出的背景 (1)1.2 DSP 的发展及应用 (2)1.3 本课题主要工作 (3)2步进电动机的选择及其驱动控制 (5)2.1 步进电动机概述 (5)2.1.1步进电动机分类 (5)2.1.2 步进电机的步距角 (5)2.1.3 步进电机的相数 (7)2.2 步进电动机的选择 (7)2.3 步进电动机的驱动 (8)2.3.1 驱动系统的组成 (8)2.3.2 驱动器的特点 (9)2.4 驱动器的选择 (10)2.4.1 L297／L298 芯片的介绍 (10)2.4.2 L297 芯片的工作原理 (10)2.4.3 驱动硬件的体系结构 (11)3 系统硬件设计 (11)3.1 DSP 系统的设计流程 (11)3.2 DSP 控制器件的基本结构和特征 (12)3.3 TMS320LF2407 的内部结构及组成 (15)3.3.1 芯片的选型 (15)3.3.2 MS3T20LF2407 芯片体系结构围设备。

(15)3.4 步进电机的DSP 控制 (17)3.4.1 芯片在电机控制中的应用 (17)3.4.2 步进电机的DSP 控制原理 (17)3.5 系统硬件设计说明 (19)3.5.1 时钟电路设计 (19)3.5.2 复位电路设计 (20)3.5.3 外部存储器设计 (21)3.5.4 JTAG 仿真 (22)3.5.5电源模块 (23)3.5.6 按键接口设计电路 (23)3.5.7 隔离电路 (23)4 控制系统软件部分的设计 (25)4.1 软件设计的基本思想 (25)4.2 主程序设计与分析 (26)4.3 系统初始化程序 (26)4.3.1 变量初始化 (27)4.3.2 系统初始化 (28)4.3.3 I／O 口初始化 (28)4.3.4 PWM 初始化 (28)4.4 键盘扫描和服务程序 (28)4.5 中断服务程序 (28)5 实验结果分析 (31)5.1 实物图 (31)5.2 实验结果及其分析 (32)6 心得体会和工作总结 (33)摘要摘要电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，微处理器已经广泛用于电动机控制领域。

由于处理数据量的增加和对实时性的要求不断提高，传统的基于单片机的控制策略越来越不能满足需要，随着数字信号处理器（DSP）的迅速发展及性价比的不断提高，数字信号处理器应用于电动机控制领域已经成为一种趋势。

因此研究DSP 在控制系统中的应用也有重要的意义。

本文首先介绍了步进电动机控制发展现状，并结合广泛的市场调研论证了用DSP芯片进行步进电动机控制的必要性和可行性，并在介绍DSP 芯片的主要结构特点及分类的基础上，针对电动机控制系统进行了控制类DSP 芯片的选型，并针对所选用的芯片TMS320LF2407A 的结构和特征进行了详细说明。

对混合步进电机驱动器进行了讨论和选择，介绍了步进电动机的DSP 控制原理及方法，设计了一些DSP 的外围电路，例如时钟电路，复位电路，外部存储器，JTAG 仿真等等设计，并给出了系统的基本框架，最后在系统软件方面介绍了DSP 软件设计的基本思想，并给出了主程序及初始化程序和中断程序的流程图和主要程序。

本次设计中采用的DSP 控制步进电动机的原理和方法可以用来进一步的开发基于DSP 的多电动机控制系统，设计中DSP 的外围电路例如复位电路，外部存储器，JTAG仿真等等设计可以直接使用在多电动机控制系统中，而DSP 软件设计的基本思想为设计多电动机控制系统软件系统奠定了基础。

关键词： DSP;电动机控制；步进电动机；数字信号处理器；控制系统1 绪论1.1课题提出的背景随着工业电气传动、自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要。

在以往的工业控制系统中，多采用传统上的单片机系统加以控制，这种控制系统性能较为稳定。

但是，传统的单片机的指令系统较复杂，指令多需要2 到 3 个指令周期才能完成，而且在硬件结构上，单片机的程序存储器和数据存储器在同一空间、同一时刻只能访问指令或数据。

单片机的结构和复杂的指令系统造成其运算速度较慢、处理能力有限，尤其对于运用微处理器控制的多电动机控制系统，由于实时性和精度要求很高，处理的数据量和运算量较大，对数字信号处理器（Digital SignalProcessor，简称DSP）的依赖越来越大。

从20 世纪60 年代数字信号处理理论的崛起，到20 世纪80 年代世界上第一个单片可编程DSP 芯片产生以来，数字信号处理器的发展迅猛异常，DSP 的应用范围也越来越广。

从运算速度来看，指令周期己经从20 世纪80 年代初的400ns 降低到40ns，DSP内部关键的乘法器部件从占模区的40%左右下降到5%以下，片内RAM 增加了一个数量级以上，从制造工艺上来看，80 年代采用NMOS 工艺，而现在普遍采用微米CMOS工艺。

DSP 芯片的引脚数量从80 年代的最多64 个增加到现在的200 个以上，引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加，此外随着DSP 芯片的发展，DSP 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

十多年前，数字信号处理器件以其高速、低功耗和高集成度在军事、航天等领域广泛应用，但DSP 曾被看作是仅适用于要求极高的应用领域，如雷达信号处理或医疗电子设备中的昂贵器件。

随着半导体工艺尤其是高密度CMOS 工艺的发展和进步，近几年来，这类芯片的价格日益下降，而性能却不断提高，软件和开发工具越来越多，越来越好，应用范围也日益广泛，DSP 以不可阻挡的趋势，进入了工业控制领域。

随着DSP 器件的价格日益下降，性能不断提高，采用DSP 器件代替传统单片机来控制电动机已成为电动机控制的发展趋势。

而在中国，手机、DVD 等数字消费产品是应用DSP 的主要方向，应用于电动机控制的研究刚刚起步，集中在一些院校和研究所，还没有实用化的产品。

但是随着国家的发展，能源和环保的要求越来越高，DSP 芯片必然会得到广泛的应用。

目前工业控制对DSP 的依赖越来越多，而DSP 自身又正在迅猛发展，并逐步取代传统的单片机系统进入工业控制领域，国内对DSP 应用于工业控制的研究也只是停留在实验室的水平，并没有成型的产品推向市场，电动机是工业控制系统中的主要动力源，而工业控制中广泛采用的是多电动机的协调动作，多电动机控制应用十分广泛，从工业自动化生产线到机床的多轴控制都离不开多电动机控制系统，本课题就是在这种背景下提出的，目的是开发出基于DSP 的步进电动机控制系统。

1.2DSP 的发展及应用数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

世界上第一个单片DSP 芯片是1978年AMI 公司发布的52811，1979 年美国INTEL 公司发布的商用可编程器件2920 是DSP芯片的一个主要里程碑。

这两种芯片内部都没有现代DSP 芯片所必须有的单周期乘法器。

1980 年，日本NEC 公司推出的uPD7720 是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。

在这之后，最成功的DSP 芯片当数美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。

TI 公司在1982 年成功推出其第一代DSP 芯片TMS3210 及其系列产品TMS32011，TMS320C10／C14／C15／C16／C17 等，之后相继推出其第二代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芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP 芯片于一体的高性能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 芯片归纳为三大系列，即TMS320C2000 系列（包括TMS320C2X／C2XX）、TMS320C5000 系列包括TMS 320CSX／C54X／CSSX）、TMS320C6000 系列（包括TMS320C62X／C67X）。

目前，TI 公司的一系列DSP 产品己经成为当今世界上最有影响力的DSP 芯片。

TI公司也成为世界上最大的DSP 芯片供应商，其DSP 市场份额占全世界份额近50 % 。

1980 年以来，DSP 芯片得到了突飞猛进的发展，DSP 芯片的应用越来越广泛，DSP芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。

在近20 年时间里，DSP 芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。

目前，DSP 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。

DSP 芯片的应用主要有：（1）信号处理——如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、波形产生等；（2）通信——如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；（3）语音——如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等；（4）图形／图像——如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等；（5）军事——如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等；（6）仪器仪表——如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；（7）自动控制——如电动机控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；（8）医疗——如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；（9）家用电器——如高保真音响、音乐合成、音调控制、数字电视等。

随着DSP 芯片性能价格比的不断提高，可以预见DSP 芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。

1.3本课题主要工作步进电机作为一种电脉冲—角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。

但是由于受制造工艺的影响，步进电机的步距角一般较大，而且还存在低频振动，在低频时有明显的“步进” 感应。

这些缺点使得步进电机一般只能应用在一些要求较低的场合。

随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，各种新颖的步进电机驱动技术被提出用来改善步进电机综合使用性能。

步进电机驱动技术的发展也促进了步进电机应用范围不断扩展。