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目录第1章设计内容及要求............................................................................................................ - 1 -1.1 设计内容...................................................................................................................... - 1 -1.2 设计要求和主要任务.................................................................................................. - 1 - 第2章总体设计方案................................................................................................................ - 1 -2.1 系统总设计框图.......................................................................................................... - 1 -2.2 系统分析...................................................................................................................... - 2 -2.3系统设计....................................................................................................................... - 2 -2.3.1电源电路设计................................................................................................... - 2 -2.3.2驱动电路设计................................................................................................... - 3 -2.3.3 稳压电路设计.................................................................................................. - 4 -2.3.4 时钟电路设计.................................................................................................. - 4 -2.3.5 比较电压电路设计.......................................................................................... - 5 -2.3.6 系统总电路图.................................................................................................. - 6 - 第3章 DSP5509及程序设计..................................................................................................... - 6 -3.1 DSP5509介绍............................................................................................................... - 6 -2.2 DSP开发环境CCS介绍............................................................................................... - 7 -2.3 程序代码...................................................................................................................... - 7 - 第4章项目设计总结及结论.................................................................................................... - 9 - 参考文献.................................................................................................................................... - 10 - 附录 ........................................................................................................................................... - 10 -第1章设计内容及要求1.1 设计内容设计基于TMS320C55x 步进电机控制系统1、能开关控制步进电机正反转，实现调速及步进电机角位置控制。
基于DSP的步进电机控制系统设计
张宝发;赵辉;岳有军
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2010(000)008
【摘要】根据步进电机原理及DSP控制方法,进行了步进电机控制系统的硬件和软件设计,同时介绍了与上位工业控制机的通信.DSP采用TMS320LF2407A,它控制机床的切(削)刀在X,Y两方向上移动.此位置控制系统采用开环控制方式,在硬件上DSP通过PCI总线接口芯片CH365和8255通用芯片与PC机进行通信,在DSP 与步进电机间选用脉冲分配和驱动电路芯片UCN5804B.在软件上给出了步进电机位置控制和加减速控制的程序流程图.该设计可应用于经济型数控机床.
【总页数】4页(P63-65,81)
【作者】张宝发;赵辉;岳有军
【作者单位】天津理工大学自动化学院,天津,300384;天津理工大学自动化学院,天津,300384;天津理工大学自动化学院,天津,300384
【正文语种】中文
【中图分类】TP271
【相关文献】
1.基于DSP的四相步进电机控制系统设计 [J], 党威望;岳改丽
2.基于DSP的多台步进电机控制系统设计 [J], 白琨;张春鹏;冯敏亮
3.基于TMS320C5402 DSP的步进电机控制系统设计 [J], 史明泉
4.基于DSP的步进电机控制系统设计研究 [J], 韩英永
5.基于dsPIC30F2010和TB6600HG的步进电机控制系统设计 [J], 徐敬成;凌云;文定都
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步进电机控制方案 DSP简介步进电机是一种常用的电动机类型，适用于需要精确定位和高扭矩输出的应用场景。
与其他电机类型相比，步进电机具有较高的位置控制精度和较低的成本。
本文旨在介绍一种基于DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）的步进电机控制方案，以实现精确的步进电机控制。
DSP介绍DSP是一种专门用于数字信号处理的芯片或系统。
其优势在于能够高效地进行信号处理、算法运算和数据处理。
DSP芯片通常带有多个高性能的计算核心和丰富的外设接口，适用于各种实时应用。
在步进电机控制方案中，使用DSP作为控制器可以实现高精度的位置控制和快速响应。
步进电机控制原理步进电机是一种需要以离散的步进角度进行控制的电机。
其控制原理基于电机内部的定子和转子之间的磁场交互作用。
步进电机的转子通过电流驱动产生磁场，定子通过相序切换实现转子的转动。
控制步进电机的关键是准确控制相序的切换和电流的驱动。
基于DSP的步进电机控制方案可以通过以下步骤实现：1.位置规划：根据实际需求，确定步进电机需要旋转到的位置。
这可以通过输入命令、传感器反馈或计算算法等方式得到。
2.相序切换：根据位置规划，确定相序的切换顺序。
相序切换是通过控制电机驱动器中的逻辑电平来实现的。
DSP通过输出控制信号控制驱动器的相序切换，从而实现电机的转动。
3.电流驱动：根据步进电机的特性和要求，确定合适的电流驱动参数。
通过DSP输出的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号和驱动电路，实现对电机相线施加准确的电流驱动。
4.反馈控制：根据应用需求，添加合适的反馈控制机制来实现闭环控制。
常见的反馈控制方式包括位置反馈、速度反馈和力矩反馈等。
DSP步进电机控制方案的优势相比传统的微控制器或PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制方案，基于DSP的步进电机控制方案具有以下优势：•高性能：DSP芯片具有强大的计算能力和实时性能，可以实现复杂的控制算法和快速响应。
MCU 和DSP 控制永磁步进电机探讨
本文介绍了一些重要的步进电机相关技术，为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息，同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。
步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能。
步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。
本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。
图1：具有双齿槽和单绕组的定子。
基于DSP的步进电机控制一DSP简介DSP，即Digital Signal Processor数字信号处理器，它是以数字信号来处理大量信息的器件，强大数据处理能力和高运行速度。
其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
图1 TMS 320LF2407引脚图DSP在选型时主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内资源，如定时器的数量、I/O口数量、中断数量、DMA通道数等。
其主要供应厂商为TI、Motorola、Freescale等。
二．步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移进电机的转速或位置信号反馈给控制器DSP，从而实现转速或位置的闭环控制。
然后将转速或位置在液晶上显示，利用看门狗复位电路监控程序是否正常运行。
因为DSP本身使用工作电压和锁相环工作电压，故在系统使用外围电源电路提供5V电压时须转换成。
步进电机驱动电路由DSP产生的PWM信号不足以直接驱动电机运行，需要使用驱动电路，可使用集成芯片L298N，它是恒压恒流双H桥电机芯片，可同时控制两台直流电机，输出电流可达2A。
使用时应使用供电电压VS大于其逻辑电压VSS，否则将会出现电机失控的现象。
另外，为了保护电机，在驱动电路中需要加入两组续流二极管。
为了降低和减小驱动电路对控制系统的影响，可加入光耦器件。
DSP产生的PWM波经施密特反相器74HC14后加到TLP521-4光耦上进行光电隔离，再送给驱动芯片L298N.这样控制信号就变得稳定可靠了。
光电编码器的选择光电编码器的选择，可以选择增量式编码器或绝对值编码器，前者适用于速度检测，后者适用于位置检测。
编码器的A、B信号与正交解码脉冲单元QEP 相对应的引脚连接，可以检测出步进电机的速度(位置)，并且能够判断出步进电机的旋转方向。
实验五步进电机控制实验一.实验目的1、认识步进电机的通电方式与步距角的关系及步进电机的通电顺序与转向的关系。
2、学习步进电机硬件环形分配器逻辑设计及实现方法。
3、学习使用PLC软硬件控制步进电机的单步、连续运动二.实验设备1、PLC实验主屏一套2、PLC编程上位机三.实验要求1、掌握4相步进电机在8拍模式下其驱动信号的逻辑表达式；2、学会使用逻辑表达式画出时序图和真值表的方法推导控制IO口的输出值表3、掌握基于PLC指令编程环境实现步进电机的单步、连续、正反转、以及开环伺服控制4、通过更改驱动脉冲的工作频率，认真观察并分析步进电机的最大工作频率、启动频率、失步等参数和特性四.实验内容及步骤实验内容：用PLC实现步进电机模拟控制实验步骤：1、把PLC自身的接线端子O/0、O/1、O/2、O/3、O/4分别与步进电机模拟控制实验上的N1、N2、N3、N4、N5接通，I/0、I/1、I/2、I/3与M1、M2、M3、M4接通。
2、把PLC主控制器旁24V的COM端接到此模拟实验的COM端上，旁边的＋5V端接到此模拟实验的＋5V端，PLC输出端所用到的COM口相互并联后再接到5V的GND端。
3、输入程序，检查无误后运行程序。
（程序见配套光盘步进文件）4、按下“开”按钮，再按“正转”按钮，电机开始正转。
“正转”和“反转”按钮切换步进电机的旋转方向。
五、例程 M3 M4 M2 M1 A3 A4 A2 A1 N3 N4 N2 N1COM+5VN5 L3 L4 L2L1 L5 开 关 正转 反转。
《基于单片机的步进电机控制系统研究》篇一一、引言随着科技的发展，步进电机因其高精度、低噪音、易于控制等优点，在各个领域得到了广泛的应用。
然而，传统的步进电机控制方式存在控制精度低、响应速度慢等问题。
因此，基于单片机的步进电机控制系统应运而生，其具有体积小、控制精度高、响应速度快等优点。
本文旨在研究基于单片机的步进电机控制系统的设计原理、实现方法以及应用前景。
二、步进电机控制系统的基本原理步进电机是一种将电信号转换为机械运动的设备，其运动过程是通过一系列的步进动作实现的。
步进电机的控制原理主要是通过改变电机的电流和电压，使电机按照设定的方向和速度进行旋转。
三、基于单片机的步进电机控制系统设计基于单片机的步进电机控制系统主要由单片机、步进电机驱动器、步进电机等部分组成。
其中，单片机是控制系统的核心，负责接收上位机的指令，并输出相应的控制信号给步进电机驱动器。
步进电机驱动器则负责将单片机的控制信号转换为适合步进电机工作的电流和电压。
在硬件设计方面，我们选择了一款性能稳定、价格适中的单片机作为主控制器，同时设计了相应的电路和接口，以实现与上位机和步进电机驱动器的通信。
在软件设计方面，我们采用了模块化设计思想，将系统分为初始化模块、控制模块、通信模块等部分，以便于后续的维护和升级。
四、基于单片机的步进电机控制系统的实现在实现过程中，我们首先对单片机进行了初始化设置，包括时钟设置、I/O口配置等。
然后，通过编程实现了对步进电机的控制，包括步进电机的启动、停止、正反转以及速度调节等功能。
此外，我们还实现了与上位机的通信功能，以便于实现对步进电机的远程控制和监控。
五、实验结果与分析我们通过实验验证了基于单片机的步进电机控制系统的性能。
实验结果表明，该系统具有较高的控制精度和响应速度，能够实现对步进电机的精确控制。
同时，该系统还具有较好的稳定性和可靠性，能够在各种复杂环境下正常工作。
此外，我们还对系统的抗干扰能力进行了测试，结果表明该系统具有较强的抗干扰能力。
基于MCU和DSP的步进电机控制技术步进电机已经渗透入我们生活的方方面面，本文介绍了一些重要的步进电机相关技术，为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息，同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。
步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。
随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。
不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。
步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。
本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。
步进电机的构造如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。
通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。
如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。
根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。
现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。
图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。
如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极。
再假设我们切断绕组1中的电流，而按图2b所示方向给绕组2输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致。
接着，我们再将绕组2的电流切断，按照图2c的方向给绕组1输送电流，注意：这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。
于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。
然后我们又切断绕组1中的电流，按照图2d所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子旋转，其南极也指向右侧。
最后，我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送如图2a所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。
至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。
也就是说，电机的电频率等于它转动的机械频率。
如果我们用1秒钟顺序完成了图2所示的这4个步骤，那么电机的电频率就是1Hz。
其转子旋转了一周，因而其机械频率也是1Hz。
总之，一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示：fe=fm*P/2 (1其中，fe代表电机的电频率，fm代表其机械频率，而P则代表电机转子的等距磁极数。
从图2中我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转90°，也就是说，一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示：1 step= 180°/P (2由等式(2可知，一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°，这与我们在图2中看到的情形正好相符。
此外，该等式还表明，电机的磁极数越多，步进精度就越高。
常见的是磁极数在12和200个之间的双相步进电机，这些电机的步进精度在15°和0.9°之间。
图3给出的例子是一个双相、6极步进电机，其中包含3个永久磁铁，因而有6个磁极。
第一步，如图3a所示，我们给绕组1施加电压，在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场，于是，转子的南极(图3a中红色的“S”一端转向了该图的上方。
接着，在图3b中，我们给绕组2施加电压，定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。
于是，转子的一个距离最近的南极转向了图的左方，即转子顺时针转动了30°。
第三步，在图3c中，我们又向绕组1施加一个电压，在定子中产生一个北极指向图下方的磁场，从而又使转子顺时针旋转30°到达图3c所示的位置。
而在图3d中，我们给绕组2施加电压，在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场，再一次使转子顺时针旋转30°，到达图3d所示的位置。
最后，我们再向绕组1施加电压，产生一个如图3a所示的北极指向定子上方的磁场，使得转子顺时针旋转30°，结束一个电周期。
如此可以看出，4步电激励造成了120°的机械旋转。
也就是说，该电机的电频率是机械频率的3倍，这一结果符合等式(1。
此外，我们从图3和等式(2也能看出，该电机的转子每一步旋转30°。
如果同时向两个绕组输送电流，还能增大电机的扭矩，如图4所示。
这时，电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和，虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转90°，就象图2和图3中一样，但因为我们同时激励两个电机绕组，所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。
由于该磁场是两个垂直场的矢量和，因此它等于单独每个场的2×1.414倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。
电机的激励顺序既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转，接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。
一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备就叫做电机驱动器。
从图4中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转，图中，电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。
其中，1A 和1B是绕组1的两个抽头，2A和2B则是绕组2的两个抽头。
首先，要给脚1B和2B施加一个正电压，并将1A和2A接地。
然后，给脚1B和2A施加一个正电压，而将1A和2B接地，这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向，假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。
依次进行下去，我们就得到了表1中总结的激励顺序，其中，“1”表示正电压，“0”表示接地。
电流在电机绕组中有两种可能的流向，这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。
双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动，图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。
H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取，然后，该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和S4连接到绕组的两根抽头。
这一电路的分布看起来有点象一个大写字母H，因此叫做H桥。
从表1中可以看出，要激励该电机，第一步应将抽头2A设为逻辑0，2B设为逻辑1，于是，我们可以闭合开关S1和S4，并断开开关S2和S3。
接着，需要将抽头2A设为逻辑1，2B设为逻辑0，于是，我们可以闭合S2、S3，并断开S1和S4。
与此类似，第三步我们可以闭合S2、S3并断开S1和S4，第四步则可以闭合S1、S4并断开S2、S3。
对绕组1的激励方法也不外乎如此，使用一对H桥就能产生需要的激励信号序列。
表2所示就是激励过程中每一步开关所在的位置。
注意，如果R=0，而开关S1和S3又不小心同时闭合，那么流经开关的电流将达到无穷大。
这时，不但开关会被烧坏，电源也可能损坏，因此电路中使用了一个非零阻值的电阻。
尽管这个电阻会带来一定的功耗，也会降低电机驱动器的效率，但它可以提供短路保护。
单极电机及其驱动器前面我们已经讨论了双极步进电机和驱动器。
单极电机与双极电机类似，不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽头，如图6所示。
我们将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头B，底部抽出的标为抽头A，中间的为抽头C。
有时我们会遇到一些抽头没有标注的电机，如果我们清楚步进电机的构造，就很容易通过测量抽头之间的阻值，识别出哪些抽头属于哪根绕组。
不同绕组的抽头之间阻抗通常为无穷大。
如果经测量，抽头A 和C之间的阻抗为100欧姆，那么抽头B和C之间的阻抗也应是100欧姆，而A和B之间的阻抗为200欧姆。
200欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。
图7给出一个单极电机的单相驱动电路。
从中可以看出，当S1闭合而S2断开时，电流将由右至左流经电机绕组；而当S1断开，S2闭合时，电流流向变为由左至右。
因此，我们仅用两个开关就能改变电流的流向(而在双极电机中需要4个开关才能做到。
表3所示为单极电机驱动电路中，每一步激励时开关所处的位置。
虽然单极电机的驱动器控制起来相对简单，但由于在电机中使用了中心抽头，因此它比双极电机更复杂，而且其价格通常比双极电机贵。
此外，由于电流只流经一半的电机绕组，所以单极电机只能产生一半的磁场。
在知道了单极电机和双极电机的构造原理之后，当我们遇到一个没有标示抽头也没有数据手册的电机时，我们就能自己推导出抽头和绕组的关系。
带4个抽头的电机就是一个双相双极电机，我们可以通过测量导线之间的阻抗来分辨哪两个抽头属于同一个绕组。
带6个抽头的电机可能是一个双相单极电机，也可能是一个三相双极电机，具体情况可以通过测量导线之间的阻抗来确定。
电机控制本文前面讨论的电机控制理论可以采用全硬件方案实现，也可以用微控制器或DSP实现。
图8说明了如何用晶体管作为开关来控制双相单极电机。
每个晶体管的基极都要通过一个电阻连接到微控制器的一个数字输出上，阻值可以从1到10M欧姆，用于限制流入晶体管基极的电流。
每个晶体管的发射极均接地，集电极连到电机绕组的4个抽头。
电机的中心抽头均连接到电源电压的正端。
每个晶体管的集电极均通过一个二极管连接到电压源，以保护晶体管不被旋转时电机绕组上的感应电流烧坏。
转子旋转时，电机绕组上会出现一个感应电压，如果晶体管集电极没有通过二极管连接到电压源，感应电压造成的电流就会涌入晶体管的集电极。
举个例子，假设数字输出do1为高而do2为低，于是do1会使晶体管T1导通，电流从+V流经中心抽头和T1的基极，然后由T1的发射极输出。
但此时do2处于断开状态，因此电流无法流经T2。
这样推理下去，我们就能将表3改为驱动电机所需的微控制器数字输出的改变顺序。
一旦清楚了驱动电机所需的硬件和数字输出的顺序，我们就可以对最顺手的微控制器或DSP编写软件，实现这些序列。
固件控制我本人在一块Microchip PIC16F877上，利用1N4003二极管和2SD1276A达灵顿晶体管实现了以上谈到的电机控制器。
PIC的PortA 第0位到第3位用来做数字输出。
电机采用在Jameco购买的5V双相单极电机(Airpax [Thomson]生产，型号为M82101-P1，并且用同一个5V电源为PIC和电机供电。
但在真正应用时，为避免给微控制器的电源信号引入噪声，建议大家还是分别用不同的电源为电机和微控制器供电。
列表1给出了控制程序的汇编源代码，该程序每50毫秒旋转电机一次。
首先，程序会将微控制器的数字输出初始化为表4中第一步的值，然后每隔50毫秒(此时间常数由程序中的常量waitTime定义按照正确的顺序循环输出数字信号。
