一种基于dsp控制芯片的步进电机驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，包括上位机、DSP控制芯片、D/A转换电路、电机驱动模块、电源电路和步进电机，电机驱动模块包括功率驱动电路。上位机用于向DSP控制芯片发送指令，D/A转换电路用于将来自DSP控制芯片的步进电机细分值的数字量转换为模拟量，并将该模拟量送入功率驱动电路，电机驱动模块根据DSP控制芯片的信号控制步进电机转动，电源电路用于向DSP控制芯片提供工作电压。本发明采用的细分驱动系统不仅提高了步进电机的精度，解决了低频振荡、高速转矩下降等问题，而且它与传统的单片机、FPGA控制芯片控制的驱动系统相比具有成本低、体积小、响应快、使用安全等优点，能很好的适应各种场合的需求。
【专利说明】
一种基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电机驱动技术领域，具体的涉及一种基于DSP控制芯片的步进电机驱 动系统。
【背景技术】
[0002] 随着数字技术和电子计算机的迅速发展，步进电机的应用越来越广泛。相应的，步 进电机的缺点也越来越明显，步进电机虽然无累计误差，但是步进电机的步距角较大且固 定不变，使其存在步进分辨率较低，低频易振荡，频率特性差，噪音比其他微电机大，灵活性 较差，物理装置易疲劳等缺点。步进电机不同于传统的交、直流电机，它必须与专用驱动器、 直流电源组成系统方能正常运行。所以步进电机的性能很大程度上取决于其驱动系统的优 劣，驱动系统的优劣主要和驱动方式有关。目前国内市场上仍有不少用户沿用已被国外淘 汰的单电压串电阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用的分立元件居多，可靠性差，且各 厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。
[0003] 传统的驱动方式有高低压驱动、单电压驱动、斩波式恒流驱动和调频调压驱动，高 低压驱动方式不能解决低频共振现象，单电压驱动效率低，斩波式恒流驱动和调频调压驱 动的线路都是过于复杂。通过对上面几种传统驱动方式的分析，可以知道传统的驱动方式 下，电机运行平稳性差，易出现振动和噪声，最主要的是分辨率低，不能满足一些高性能的 控制。
[0004] 在电机控制过程中，控制芯片的选择通常有以下两种方案:第一种是选取专用的 步进电机运动控制模块，该模块具有使用方便快速的优点，但其缺点在于耗资较高，而且专 用模块减少了控制器的适用范围，影响产品的大范围应用。第二种方案选择的控制芯片则 为8位单片机，与第一种方案不同的是，该方案耗资低，但其却没有与电机控制相配套的外 设(如A/D转换设备、具有三路以上的PWM通道等），而且电动机控制非常麻烦，为满足高速运 算的要求采用复杂指令集，使得系统的运算速度较低。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，该驱 动系统能够实现步进电机平稳运行，运行精度高，解决了现有技术中存在的步进电机低频 振荡、失步、高速运行时转矩下降问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于DSP控制芯片的步进电机 驱动系统，包括上位机、DSP控制芯片、D/A转换电路、电机驱动模块、电源电路和步进电机， 所述电机驱动模块包括功率驱动电路；
[0007] 所述上位机与DSP控制芯片双向连接，所述电源电路的输出端与DSP控制芯片的输 入端连接，所述DSP控制芯片的输出端分别连接电机驱动模块和D/A转换电路的输入端，所 述D/A转换电路的输出端连接电机驱动模块中功率驱动电路的输入端，所述电机驱动模块 的输出端连接步进电机的输入端；
[0008] 所述上位机用于向DSP控制芯片发送指令，所述D/A转换电路用于将来自DSP控制 芯片的步进电机细分值的数字量转换为模拟量，并将该模拟量送入功率驱动电路，所述电 机驱动模块根据DSP控制芯片的信号控制步进电机转动，所述电源电路用于向DSP控制芯片 提供工作电压。
[0009] 所述电机驱动模块还包括逻辑综合电路，用于将DSP控制芯片中事件管理器EVA生 成的两路分别互补的PWM波和步进电机的相序信号进行逻辑综合，所述逻辑综合电路的输 入端连接DSP控制芯片的输出端，其输出端通过光电隔离电路与功率驱动电路的输入端相 连。
[0010] 所述逻辑综合电路包括逻辑门器件74HC08。
[0011] 还包括测速电路，用于测试步进电机的速度和转向，并将测试结果通过上位机显 示出来，所述测速电路的输入端连接步进电机的输出端，其输出端连接DSP控制芯片的输入 端。
[0012] 所述测速电路包括一个双相的光电编码器。
[0013] 所述光电编码器型号为E6A2-CW3C。
[0014] 还包括过流检测电路，用于防止步进电机故障烧毁，所述过流检测电路的输入端 连接步进电机，其输出端连接DSP控制芯片的7^7^%引脚。
[0015] 所述电源电路包括两个串联的电压转换芯片，用于将电源电压转换至DSP控制芯 片所需工作电压。
[0016] 所述DSP控制芯片的型号为TMS320F2812,所述功率驱动电路包括L298N双全桥驱 动芯片。
[0017] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果。
[0018]本发明通过上位机向DSP控制芯片发送指令，并通过D/A转换电路将来自DSP控制 芯片的步进电机细分值的数字量转换为模拟量，由电机驱动模块根据DSP控制芯片转换的 指令以及D/A转换电路转换的模拟量驱动步进电机转动，从而实现对步进电机的驱动。本发 明采用的细分驱动系统不仅提高了步进电机的精度，解决了低频振荡、高速转矩下降等问 题，而且它与传统的单片机、FPGA控制芯片控制的驱动系统相比具有成本低、体积小、响应 快、使用安全等优点，能很好的适应各种场合的需求。
[0019]进一步的，本发明通过逻辑电路将DSP控制芯片中事件管理器EVA的比较单元生成 的两路分别互补的PWM波和步进电机的相序信号进行逻辑综合，采用专有逻辑门器件 74HC08来实现逻辑综合，这样电路设计较简单，较易实现。74HC08是4输入与门器件，将两路 分别互补的PWM波和控制步进电机的相序信号相与后，生成具有斩波的相序信号。经斩波后 的相序信号输入到功率驱动电路，控制开关管的通断，采用斩波后的相序信号可以防止因 为能量聚集而引起的电机振动。再者，将PWM波和4路相序信号相与后，通过改变PWM波的占 空比，等效生成阶梯波形式（即占空比不同的阶梯波），从而可以通过DSP控制芯片灵活的改 变步进电机各相绕组的通断状态。
[0020]进一步的，因为DSP控制芯片输出的PWM波是数字信号，其频率很高，但是电压和电 流非常低，其驱动能力较低，并且还需要电平转换，不能直接驱动功率驱动电路中的驱动芯 片，否则会有干扰，不能正常的工作，所以需要将DSP控制芯片和功率驱动电路进行光电隔 离，从而避免因两侧（即DSP控制芯片输出的PWM波和输入到驱动芯片的PWM波，一侧是DSP控 制芯片，一侧是驱动电路)信号电位不匹配而无法驱动驱动芯片的问题，还避免了不同信号 之间的串扰，保证了整个控制系统稳定性。
[0021 ]进一步的，本发明在步进电机与DSP控制芯片之间连接过流保护电路，以防止步进 电机故障烧毁，当过流保护电路检测到步进电机绕组电流过高时，比较器(LM358)输出高电 平，经过与非门输入到DSP控制芯片的引脚，处理器就会封锁所有的比较寄存器， 使得PWM输出通道全部转换为高阻态，电机停止工作，使得系统得到很好地保护，从而保护 步进电机。
[0022] 进一步的，本发明采用2000系列DSP控制芯片TMS320F2812,这种芯片是针对电动 机的运动控制而设计的，具有片上外设资源多、内置电机控制专用硬件电路、控制功能软件 化实现以及设备简单方便等优点。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的原理框图；
[0024] 图 2 为TMS320F2812 电源电路；
[0025] 图3为DSP控制芯片与74HC08连接图；
[0026] 图4为光耦隔离电路的结构示意图；
[0027] 图5为DAC0832的连接电路图；
[0028] 图6为功率驱动电路；
[0029]图7为过流检测电路。
【具体实施方式】
[0030] 为更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
[0031] 如图1所示，一种基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，包括上位机、DSP控制芯 片、D/A转换电路、电机驱动模块、电源电路、过流检测电路、光电编码器和步进电机，其中电 机驱动模块包括依次连接的逻辑综合电路、光电隔离电路和功率驱动电路，测速电路包括 双相的光电编码器。
[0032]步进电机由直流电源供电，上位机与DSP控制芯片双向连接，电源电路的输出端与 DSP控制芯片的输入端连接，DSP控制芯片的输出端分别连接逻辑综合电路和D/A转换电路 的输入端，D/A转换电路的输出端连接功率驱动电路输入端，功率驱动电路的输出端连接步 进电机的输入端，光电编码器的输入端连接步进电机的输出端，其输出端连接DSP控制芯片 的输入端，过流检测电路的输入端连接步进电机，其输出端连接DSP控制芯片的输入端。 [0033] DSP控制芯片选用TMS320F2812DSP控制芯片，双相的光电编码器选用E6A2-CW3C编 码器，逻辑综合电路选用74HC08逻辑门器件，电隔离电路选用HCPL-0631高速光耦，功率驱 动电路选用L298N双全桥驱动芯片，D/A转换电路选用DAC0832芯片，过流检测电路选用 LM358双运算放大器，电源电路选用两个AMS1117系列的电源电换芯片。
[0034]本实施例采用2000系列DSP控制芯片，这种芯片是针对电动机的运动控制而设计 的，具有片上外设资源多、内置电机控制专用硬件电路、控制功能软件化实现以及设备简单 方便等优点。
[0035]上位机提供一个人机界面，向DSP控制芯片发送指令并显示步进电机的工作状况。 双相的光电编码器旋转时可输出两组脉冲信号，用于测试步进电机的速度和转向，并通过 上位机显示出来。
[0036] 一般DSP控制芯片都采用多电源供电，因为DSP控制芯片的内核电压是1.8V或 1.9V，而10端口电压是3.3V，且通常供电电压都是标准的5V电源，因此本实施例中的电源电 路需要电压转换芯片进行降压并稳压，如图2所示，AMS1117-3.3电源转换芯片是将5V电压 转换为3.3V稳压芯片，AMS1117-1.8电源转换芯片是将3.3V电压转换为1.8V的稳压芯片。 [0037]逻辑综合电路是将DSP控制芯片中事件管理器EVA的比较单元生成的两路分别互 补的HVM波和步进电机的相序信号进行逻辑综合，本实施例采用专有逻辑门器件74HC08来 实现，使电路设计较简单，较易实现。74HC08是4输入与门器件，将两路分别互补的PWM波和 控制步进电机的相序信号相与后，生成具有斩波的相序信号。经斩波后的相序信号输入到 功率驱动模块，控制开关管的通断，斩波后的相序信号可以防止因为能量聚集而引起的步 进电机振动。再者，PWM波和4路相序信号相与后，通过改变PWM波的占空比，等效生成阶梯波 形式，并把生成的PWM通入功率驱动模块，从而实现通过DSP控制芯片灵活的改变各相绕组 的通断状态。
[0038] 如图3所示，逻辑综合电路接收DSP控制芯片的信号，PWM1、？丽2、?110、?￥14分别由 DSP控制芯片TMS320F2812的GPI0A0-GPI0A4引脚产生，A相、/A相、B相、/B相的相序信号使用 TMS320F2812的6?1060、6?1061、6?1062、6?1063引脚。逻辑综合电路中逻辑器件7纽0)8输出 的四路信号￥1、￥2、￥3、￥4分别对应于功率驱动电路中1298~芯片的預1、預2、預3、預4引脚。
[0039] 因为DSP控制芯片输出的PWM波是数字信号，其频率很高，但是电压和电流非常低， 驱动能力低，并且还需要电平转换，不能直接驱动L298N，否则会有干扰，使步进电机不能正 常工作，因此需要将74HC08和L298N进行光电隔离，这样可以避免因两侧（即DSP控制芯片输 出的PWM波和输入到驱动芯片的PWM波，一侧是DSP控制芯片，一侧是驱动电路)信号电位不 匹配而无法驱动L298N的问题，还避免了不同信号之间的串扰，保证了整个控制系统稳定 性。如图4所示，本实施例采用HCPL-0631高速光耦进行隔离，在图4中可以看出，电容C5接电 源端是去耦电容，它的作用是保证输入电压的稳定性，因为反复开关会导致电源电压的波 动，而与电源电压直接串联的电容，在稳定时刻的电压值是和电源电压一样的，当电源电压 低于理论值5V时，电容给HCPL-063充电。由于本电路5V电压，电容取值0. luf，即可满足要 求。HCPL-0631高速光耦的1、4、6、7脚上拉电阻R2、R3、R4、R5,其作用是提高输出电平，增强 电路的抗干扰能力，上拉电阻一般取值为470 Q -10k Q。
[0040] D/A转换电路是实现步进电机步距角细分的主要部分，D/A转换电路中的DAC0832 芯片将来自DSP控制芯片的细分值的8位数字量转换为步进电机电流的模拟量，使其呈阶梯 状上升或下降。DAC0832芯片输出的是电流值，功率驱动电路需要其输出的为电压值，因此 在DAC0832芯片外接一个运算放大器将输出转变为电压值。如图5所示，DAC0832芯片中的 D0-D7为数字量输入端，分别对应于固化在DSP控制芯片的EPROM中的正余弦函数表中的细 分值的数字量，即GPI0D0-GPI0D7对应DA模块的D0-D7输入端，输出的VrefA送入到功率驱动 电路。
[0041] 如图6所示，功率驱动电路采用的L298N双全桥驱动芯片，其内部由两组完全相同 的全桥电路组成。每一个全桥电路又由四个M0SFET以及TTL逻辑电路构成，通过对逻辑电平 输入端預1、預2、預3、1财以及使能端￡1^41^输入不同的!'孔逻辑电平，就能开通不同的 MOSFET，完成对电机绕组的正、反向的通电控制。L298N的1引脚和15引脚接到测流电阻R6和 R7上用来电流采样。由DSP控制芯片产生的两路PWM波分别输入到L298N芯片的使能端EnA、 EnB，用以控制电机绕组输入电压的通断。由DSP控制芯片的I/O口输出的逻辑电平经过逻辑 电路输出的四路信号Yl、Y2、Y3、Y4输入到L298N的INI、IN2、IN3、IN4端用来确定电机绕组电 压的方向。采用两只0.5 Q/2W的精密电阻R6和R7测量电机两相绕组电流，采样电流通过 ADC00、ADC01经处理后送到DSP控制芯片的A/D转换模块。接口 J6接到步进电机上，八个大功 率二极管D1-D8在这里起续流作用。
[0042] 为防止步进电机故障烧毁，必须在电机绕组电流过高时停止对电机供电，所以在 步进电机和DSP控制芯片之间设计有过流保护电路。如图7所示，过电流保护电路中的 LM358,由两只分压电阻R9和R10将+5V电压分压至IV，送到比较器同相端，R11为正反馈电 阻。由电流采样电路送来的A、B两相电流信号经过两只二极管D9和D10送比较器反相端，比 较器输出PINTA端信号经过电平转换后送到DSP控制芯片的.PDP/,.V77I引脚。平时比较器反向 端的电压较低，所以其输出PINTA端都是高电平。由于D10和D9正向导通的压降约为0.7V，所 以当ADC00、ADC01任何一处的电压超过1.7V时比较器将触发，在PINTA端输出一个低电平。 这个低电平信号将在DSP控制芯片内部产生一个等级最高的中断，使DSP控制芯片停止输出 PWM波，从而使步进电机断电。电阻R8与电容C6-起构成一个滤波环节，防止系统因外界干 扰误触发。由于电机绕组电流采样电阻为0.5 Q，对应1.7V的触发电压，电机电流为3.4A，亦 即当电机电流超过3.4A时系统将保护动作。
[0043] 本发明是针对两相混合式步进电机，它的细分控制的核心思想就是控制电机A、B 两相绕组的电流，使其在设计好的细分数下输出相应的电流，型号为TMS320F2812的DSP控 制芯片输出存储在EEPR0M中对应的细分电流正弦表即TMS320F2812产生步进电机细分值的 数字量，本发明中使用了GPI0B的低8位输出步进电机的细分值，最高细分数是256,并根据 产生的细分值去查表（固化在EEPR0M中的正余弦函数表），EEPR0M是DSP控制芯片的组成部 分。
[0044] 本发明使用了两个DA转换模块，因此DSP控制芯片也需要产生DA模块的选择信号， 该模块使用的双缓冲模式的DAC0832,输入的细分值决定正余弦表的步长，而DSP控制芯片 又将正余弦表中的这些数字量转化为步进电机的阶梯电流值，从而使步进电机的相电流成 阶梯状的上升和下降，也就实现了细分电流的目的，其结果是步进电机的固有步距角细分 成若干小步，就克服了低频振荡、失步及高速运行时转矩下降等问题。
[0045] 综上所述，本发明采用的细分驱动系统不仅提高了步进电机的精度，解决了低频 振荡、高速转矩下降等问题，还使本发明与传统的单片机、FPGA控制芯片控制的驱动系统相 比具有成本低、体积小、响应快、使用安全等优点，能很好的适应各种场合的需求。
【主权项】
1. 一种基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于：包括上位机、DSP控制芯 片、D/A转换电路、电机驱动模块、电源电路、测速电路和步进电机，所述电机驱动模块包括 功率驱动电路和逻辑综合电路，所述逻辑综合电路输出端通过光电隔离电路与功率驱动电 路的输入端相连； 所述上位机与DSP控制芯片双向连接，所述电源电路的输出端与DSP控制芯片的输入端 连接，所述DSP控制芯片的输出端分别连接电机驱动模块中逻辑综合电路和D/A转换电路的 输入端，所述D/A转换电路的输出端连接电机驱动模块中功率驱动电路的输入端，所述电机 驱动模块中功率驱动电路的输出端连接步进电机的输入端，所述测速电路的输入端连接步 进电机的输出端，其输出端连接DSP控制芯片的输入端； 所述上位机用于向DSP控制芯片发送指令，所述D/A转换电路用于将来自DSP控制芯片 的步进电机细分值的数字量转换为模拟量，并将该模拟量送入功率驱动电路，所述电机驱 动模块根据DSP控制芯片的信号控制步进电机转动，所述逻辑综合电路，用于将DSP控制芯 片中事件管理器EVA生成的两路分别互补的PWM波和步进电机的相序信号进行逻辑综合，所 述测速电路，用于测试步进电机的速度和转向，并将测试结果通过上位机显示出来，所述电 源电路用于向DSP控制芯片提供工作电压。2. 根据权利要求1所述的基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于:所述逻 辑综合电路包括逻辑门器件74HC08。3. 根据权利要求1所述的基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于:所述测 速电路包括一个双相的光电编码器。4. 根据权利要求3所述的基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于:所述光 电编码器型号为E6A2-CW3C。5. 根据权利要求1所述的基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于:还包括 过流检测电路，用于防止步进电机故障烧毁，所述过流检测电路的输入端连接步进电机，其 输出端连接DSP控制芯片的尸引脚。6. 根据权利要求1所述的基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于:所述电 源电路包括两个串联的电压转换芯片，用于将电源电压转换至DSP控制芯片所需工作电压。7. 根据权利要求1所述的基于DSP控制芯片的步进电机驱动系统，其特征在于:所述DSP 控制芯片的型号为TMS320F2812,所述功率驱动电路包括L298N双全桥驱动芯片。
【文档编号】H02P8/22GK105958883SQ201610348083
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】张新荣, 曾春艳, 康广庆, 王超, 李丹丹
【申请人】长安大学