摘　要:步進(jìn)電機(jī)可直接接收脈沖信號(hào)的控制,適合于數(shù)字控制系統(tǒng). 針對(duì)這一特點(diǎn),提出了一種使用內(nèi)嵌CAN 控制器的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320L F2407A 構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方案. 給出了該方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件原理框圖和CAN 接口電路設(shè)計(jì). 該方案硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,性能可靠,信息傳輸通道具有較高的抗干擾性. 關(guān)鍵詞:DSP ; TMS320L F2407A ;CAN ;采樣;步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步距角） . 步進(jìn)電機(jī)通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的. 步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域. 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. 20 世紀(jì)80 年代初期出現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP） 既增強(qiáng)了微處理器的數(shù)據(jù)處理能力,提高了精度,又在片內(nèi)集成了大量的外圍接口,因而在控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[sup][1 ] [/sup]. 本系統(tǒng)選用運(yùn)算高速、功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器作為控制器。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于DSP 和CAN 總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、微控制器、CAN 總線和工控機(jī)組成. 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示. 其中工控機(jī)為控制系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理. 主要是通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,實(shí)時(shí)獲取控制模塊的數(shù)據(jù)和信息,以及顯示、數(shù)據(jù)分析和完成報(bào)表等功能;CAN 總線部分主要由CAN 總線適配卡、通信介質(zhì)和相應(yīng)軟件構(gòu)成,主要完成數(shù)字信號(hào)的傳輸;微控制器用于接收主控機(jī)指令,完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和向主控機(jī)發(fā)送電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息等功能. 2 硬件部分設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由光電隔離及驅(qū)動(dòng)部分、電源部分和CAN 通信部分等組成,光電隔離和驅(qū)動(dòng)部分是控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的核心部分;CAN 通信部分主要是CAN 控制器和微控制器之間的接口電路設(shè)計(jì). 系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示. 2. 1 TMS320L F2407A 的主要特點(diǎn) 美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320L F2407A芯片將實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身,特別適合于工業(yè)控制應(yīng)用. 內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu),運(yùn)算速度塊,最高可達(dá)40 MIPS 的執(zhí)行速度. 具有豐富的通用輸入/ 輸出引腳. 該芯片供電電壓為3. 3 V ,降低了控制器的功耗; 具有16 路10 位的ADC 和8 路PWM;還提供了符合CAN2. 0B 規(guī)范要求的CAN 通信模塊;具有低成本、低功耗、高速運(yùn)算能力和高性能處理能力等優(yōu)點(diǎn),因此該DSP 芯片可以滿足此系統(tǒng)要求[sup][2 ] [/sup]. 2. 2 　光電隔離和功率驅(qū)動(dòng)部分 功率驅(qū)動(dòng)電路的作用是將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大,給步進(jìn)電機(jī)相繞組提供足夠的電流,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作. 對(duì)功率放大器的要求包括:能提供足夠的幅值,前后沿較陡的勵(lì)磁電流;功耗小,效率高;運(yùn)行穩(wěn)定可靠,便于維修而且成本低. 在功率變換電路中,由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需要和提高電路抗干擾能力的要求,在功率主回路和控制電路之間需要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的隔離. 隔離環(huán)節(jié)性能直接影響功率器件的工作和整個(gè)電路系統(tǒng)的抗干擾能力. 本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用美國(guó)IR 公司生產(chǎn)的IR2110 驅(qū)動(dòng)器[3 ] . 它兼有光耦隔離（體積?。?和電磁隔離（速度快） 的優(yōu)點(diǎn),是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種. 尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì),可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目,三相橋式變換器,僅用一組電源即可.IR2110 用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖3 所示. 2. 3 　通信部分電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)方案中采用了CAN 總線技術(shù). 該總線技術(shù)具有獨(dú)特的機(jī)制,其主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不分主動(dòng)主從;采用非破壞總線仲裁,支持競(jìng)爭(zhēng);傳輸距離遠(yuǎn),通信速度較高（最大1Mbit/ s） ,組網(wǎng)靈活;其報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,受干擾小,具有自己的協(xié)議等,所以現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 以其自身的優(yōu)點(diǎn)有效支持分布式控制系統(tǒng)或成為實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[sup][4～5 ][/sup] . TMS320L F2407A 內(nèi)帶CAN 控制器,使整個(gè)電路的外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化,可靠性也得到提高. 考慮到CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾屎涂垢蓴_性,CAN 通信方案做了如下幾方面設(shè)計(jì):DSP 的CANRX 和CAN TX 先通過74LVC04A 進(jìn)行3. 3 V與5 V 的電平匹配,然后再通過高速光隔TL P113 與TJA1050連接,實(shí)現(xiàn)了總線的電氣隔離;采用了TJA1050 作為驅(qū)動(dòng)器代替以往的82C250 ,TJA1050 的優(yōu)點(diǎn)是完全符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn);高速率最高達(dá)1 Mbit/ s ;電磁抗干擾性能好;不上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成擾動(dòng);輸出驅(qū)動(dòng)器受到溫度保護(hù);至少可以連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn). 數(shù)字電源VCC 和GND 是用小功率隔離模塊DC/ DC 進(jìn)行一次隔離后得到的,增加了通信的抗干擾能力. CAN 通信接口電路如圖4 所示. 距角1. 2°; 保持轉(zhuǎn)矩28 N ·m ; 轉(zhuǎn)子慣量33. 97 kg ·cm[sup]2[/sup] ;空載運(yùn)行頻率大于等于3 kHz. 通過數(shù)字示波器檢測(cè)到電壓波形得到電流波形（經(jīng)過數(shù)字濾波后波形） ,步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行和加速運(yùn)行時(shí)相電流波形,分別如圖5 ,圖6 所示. 從電流波形可以看出,混合式步進(jìn)電機(jī)的相電流在低頻、高頻時(shí)都保持良好的正弦性,說明本系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能. 4 　結(jié)束語 本文將DSP 和CAN 總線等技術(shù)應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中,詳細(xì)闡述了對(duì)步進(jìn)電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)以及CAN 接口電路的設(shè)計(jì),也很充分又巧妙的應(yīng)用了DSP 芯片的高集成,低功耗的特點(diǎn). 不難看出該系統(tǒng)控制靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠,具有較強(qiáng)的通用性和廣泛的應(yīng)用前景. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能. 參考文獻(xiàn): [1 ] 　周明安. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀[J ] . 機(jī)電工程技術(shù),2005 （2） :16O17 [2 ] 　劉和平,嚴(yán)利平,張學(xué)鋒,等. TMS320L F240x DSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M] . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002. [3 ] 　朱海民. 基于DSP 的三相混合式步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J ] . 機(jī)電工程,2005 ,22 （10） :1O4. [4 ] 　楊春杰,魏宗壽. 基于CAN 總線的一種計(jì)算機(jī)通信方式[J ] . 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004 ,23 （6） :105O107. [5 ] 　鄔寬明. CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996.