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1、基于DSP和CAN总线的步进电机控制系统hanjuan导语：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,即当步进驱动器接收到一个脉冲信号摘要:步进电机可直接接收脉冲信号的控制,合适于数字控制系统.针对这一特点,提出了一种使用内嵌CAN控制器的数字信号处理器TMS320LF2407A构成的步进电机控制系统方案.给出了该方案的系统构造、硬件原理框图和CAN接口电路设计.该方案硬件系统构造紧凑,性能可靠,信息传输通道具有较高的抗干扰性.关键词:DSP;TMS320LF2407A;CAN;采样;步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,即当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按
2、设定的方向转动一个固定的角度即步距角.步进电机通过控制脉冲个数来控制角位移量,进而到达准确定位的目的;同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,进而到达调速的目的.步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精细机械等领域.随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断开展,各种新奇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开展也促进了步进电机应用范围不断扩展.20世纪80年代初期出现的数字信号处理器DSP既增强了微处理器的数据处理才能,进步了精度,又在片内集成了大量的外围接口,因此在控制系统中得到广泛应用sup1/
3、sup.本系统选用运算高速、功能强大的数字信号处理器作为控制器。1系统构造基于DSP和CAN总线的步进电机控制系统由步进电机、微控制器、CAN总线和工控机组成.其系统构造如图1所示.其中工控机为控制系统的核心,负责整个系统的控制和治理.主要是通过现场总线网络对控制模块的参数进展设置,实时获取控制模块的数据和信息,以及显示、数据分析和完成报表等功能;CAN总线局部主要由CAN总线适配卡、通讯介质和相应软件构成,主要完成数字信号的传输;微控制器用于接收主控机指令,完成对步进电机的控制和向主控机发送电机运行状态信息等功能.2硬件局部设计系统的硬件设计主要由光电隔离及驱动局部、电源局部和CAN通讯局部
4、等组成,光电隔离和驱动局部是控制步进电机运行的核心局部;CAN通讯局部主要是CAN控制器和微控制器之间的接口电路设计.系统硬件框图如图2所示.2.1TMS320LF2407A的主要特点美国德州仪器公司消费的TMS320LF2407A芯片将实时信号处理才能和控制器外设功能集于一身,十分合适于工业控制应用.内核采用哈佛构造,运算速度块,最高可达40MIPS的执行速度.具有丰富的通用输入/输出引脚.该芯片供电电压为3.3V,降低了控制器的功耗;具有16路10位的ADC和8路PWM;还提供了符合CAN2.0B标准要求的CAN通讯模块;具有低本钱、低功耗、高速运算才能和高性能处理才能等优点,因此该DSP
5、芯片可以知足此系统要求sup2/sup.2.2光电隔离和功率驱动局部功率驱动电路的作用是将脉冲信号进展功率放大,给步进电机相绕组提供足够的电流,驱动步进电机正常工作.对功率放大器的要求包括:能提供足够的幅值,前后沿较陡的励磁电流;功耗小,效率高;运行稳定可靠,便于维修而且本钱低.在功率变换电路中,由于电路拓扑构造的需要和进步电路抗干扰才能的要求,在功率主回路和控制电路之间需要实现电信号的隔离.隔离环节性能直接影响功率器件的工作和整个电路系统的抗干扰才能.本驱动系统采用美国IR公司消费的IR2110驱动器3.它兼有光耦隔离体积小和电磁隔离速度快的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种.尤其
6、是高端悬浮自举电源的成功设计,可以大大减少驱动电源的数目,三相桥式变换器,仅用一组电源即可.IR2110用于驱动半桥的电路如图3所示.2.3通讯局部电路设计在本设计方案中采用了CAN总线技术.该总线技术具有独特的机制,其主要有以下几个优点:网络节点不分主动主从;采用非破坏总线仲裁,支持竞争;传输间隔远,通讯速度较高最大1Mbit/s,组网灵敏;其报文采用短帧构造,传输时间短,受干扰小,具有自己的协议等,所以现场总线CAN以其自身的优点有效支持分布式控制系统或者成为实时控制的串行通讯网络sup45/sup.TMS320LF2407A内带CAN控制器,使整个电路的外围设计简单化,可靠性也得到进步.
7、考虑到CAN总线数据传输的高速率和抗干扰性,CAN通讯方案做了如下几方面设计:DSP的CANRX和CANTX先通过74LVC04A进展3.3V与5V的电平匹配,然后再通过高速光隔TLP113与TJA1050连接,实现了总线的电气隔离;采用了TJA1050作为驱动器代替以往的82C250,TJA1050的优点是完全符合ISO11898标准;高速率最高达1Mbit/s;电磁抗干扰性能好;不上电的节点不会对总线造成扰动;输出驱动器受到温度保护;至少可以连接110个节点.数字电源VCC和GND是用小功率隔离模块DC/DC进展一次隔离后得到的,增加了通讯的抗干扰才能.CAN通讯接口电路如图4所示.距角1
8、.2;保持转矩28Nm;转子惯量33.97kgcmsup2/sup;空载运行频率大于即是3kHz.通过数字示波器检测到电压波形得到电流波形经过数字滤波后波形,步进电机连续运行和加速运行时相电流波形,分别如图5,图6所示.从电流波形可以看出,混合式步进电机的相电流在低频、高频时都保持良好的正弦性,讲明本系统具有良好的动静态性能.4完毕语本文将DSP和CAN总线等技术应用在步进电机的控制系统中,具体阐述了对步进电机隔离驱动以及CAN接口电路的设计,也很充分又巧妙的应用了DSP芯片的高集成,低功耗的特点.不难看出该系统控制灵敏、数据传输可靠,具有较强的通用性和广泛的应用前景.从实验结果可以看出本系统具有良好的动静态性能.参考文献:1周明安.步进电机驱动技术开展及现状J.机电工程技术,20052:16O172刘和平,严利平,张学锋,等.TMS320LF240xDSP构造、原理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.3朱海民.基于DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统J.机电工程,2005,2210:1O4.4杨春杰,魏宗寿.基于CAN总线的一种计算机通讯方式J.兰州交通大学学报,2004,236:105O107.5邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1996.0