數字信號處理(Digital Signal Processing,簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執行轉換或提取信息，來處理現實信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里，數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。TMS320LF2407是TI公司主推的一種高性能、低價格DSP處理器，其處理速度達到30 MIPS,片內處理集成RAM、Flash及定時器外，還集成了A/D轉換器、PWM控制器及CAN總線控制器等模塊，特別適合于電機、電源變換等實時要求高的控制系統。但是通常設計DSP程序的方法是，在DSP的集成開發環境CCS中用C語言設計，需要花費大量的時間用來編寫和輸入程序代碼。在Matlab中用圖形化的方式設計DSP的程序，能夠縮短產品的開發時間。本文所介紹的是一種基于TMS320LF2407實現的步進電機控制系統的設計。
1 系統硬件構成
整個系統分為五個部分組成：DSP中央控制器TMS320LF2407,步進電機及驅動，光電編碼器，鍵盤及液晶顯示部分，以及整個系統的外圍電源電路及看門狗復位電路組成，如圖1所示。在這個系統設計中，由鍵盤設定給定轉速(位置)，通過中央控制器TMS320LF2407來產生PWM脈沖信號來控制步進電機的轉速(位置)，可以采用光電編碼器對步進電機的轉速(位置)進行采樣檢測實現閉環控制，也可以采用開環控制無需轉速(位置)信號，以上過程中的多個變量、參數可以在液晶顯示屏上得到直觀地反映。整個硬件結構簡單直觀，中央控制器TMS320LF2407還剩余豐富的I/O及中斷資源，在此設計基礎上具有一定的擴展空間。
圖1 硬件原理方框圖
本設計采用的是55BF03型三相反應式步進電機，其接收數字控制信號(電脈沖信號)，并轉換成與之相對應的角位移或直線位移。此設計是用中央控制器TMS320LF2407產生的PWM環形脈沖信號經過信號分配以及功率放大傳送給步進電機實現對步進電機的角位置或直線位移控制，所以此步進電機的驅動結構設計由以下幾部分組成，脈沖信號，信號分配，功率放大，步進電機及負載，如下圖2所示。在這個設計中基于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面的考慮，在這里設計成產生一個三相六拍信號來進行步進電機的控制，通電順序為A-AB-B-BC-C-CA,步距角為1.5°，功率放大采用的是典型的單壓驅動方式。
圖2 步進電機驅動方框圖
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為"步距角",它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。
光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號。
光電編碼器的選擇，可以選擇增量式編碼器或絕對值編碼器，前者適用于速度檢測，后者適用于位置檢測。編碼器的A、B信號與正交解碼脈沖單元QEP相對應的引腳連接，可以檢測出步進電機的速度(位置)，并且能夠判斷出步進電機的旋轉方向。
在顯示方面，由于液晶顯示器(LCD)點陣式或圖形式不僅可以顯示字符、數字，還可以顯示各種圖形、曲線和漢字，并且可以實現屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本顯示等功能，功耗小、體積小、質量輕、超薄等諸多其它顯示器無法比擬的優點，用途十分廣泛。本系統設計中用到的是HY-12864圖形液晶顯示器，它內置兩塊HD61202液晶顯示控制驅動器，此屏幕的最大顯示范圍為128*64.HY-12864引出的以下控制信號：讀寫信號(R/W)、數據或指令信號(RS)、左、右屏片選信號(CS1、CS2)、使能信號(E)及數據總線(DB0--DB7)，由TMS320LF2407的I/O口直接控制，連接原理圖如下圖3所示。
圖3 液晶顯示HY-12864與TMS320LF2407的硬件連接圖
2 軟件設計
在整個軟件設計中，共包含主程序、步進電機驅動程序、液晶顯示驅動程序，按鍵掃描中斷程序、編碼器檢測換算程序等程序塊。
下面著重介紹一下步進電機驅動程序及編碼器檢測換算程序。在步進電機驅動程序設計中，充分運用TMS320LF2407控制器的事件管理模塊。在TMS320LF2407中各有一個16位比較寄存器CMPRx(x=4、5、6)，每個比較器各有兩個比較PWM輸出引腳，產生3路PWM輸出信號，控制電機轉速(位置)，其輸出引腳極性將由控制寄存器(ACTR)的控制位來決定，根據需要選擇高電平或低電平作為開通信號。在PWM信號調制中需要周期一定的載波，這時用到了定時器3,它以內部CPU時鐘作為輸入，工作于連續增/減計數模式下，產生PWM脈沖輸出，產生的脈沖為一個環形可變脈沖，這時由T3PR定時周期下溢和上溢時產生中斷，刷新周期值，進行PWM調整，計算方式如下：
電機轉速與電脈沖頻率f的關系：
最后，此設計中把給定轉速轉化成相對應的二進制碼，用29297除以給定轉速即得到PWM基數，所得到的PWM數值再乘以3得到定時器3的T3PR的周期值，對應不同頻率的PWM脈沖輸出，如圖4，電機運行中斷程序框圖。
圖4 電機運行中斷程序框圖
光電編碼器的檢測利用正交解碼脈沖單元QEP,A、B分別與正交解碼脈沖單元的兩個通道QEP1和QEP2相連。正交解碼脈沖單元QEP具有方向檢測功能，它的方向檢測邏輯辨明兩個序列中哪一個是先導序列，接著可以產生方向信號作為所選定時器的方向輸入，如果QEP1輸入的是先導序列，則所選的定時器增計數;反之QEP2輸入的是先導序列，則所選的定時器減計數。注意兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交解碼脈沖單元計數，因此產生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍。在本系統中把定時器2用為作為計數器，它以正交解碼脈沖單元產生的時鐘作為輸入，與正交解碼脈沖單元QEP1、2共同作用，對編碼器信號進行檢測，換算成所對應的轉速(位置)信號。
本文所介紹的步進電機控制方案，其創新點在于利用TMS320LF2407的事件管理模塊，可以簡單有效的控制步進電機的速度(位置)。系統中并設計了相應的人機界面，進行相應變量的顯示、操作，同時該系統留有一定的資源可以方便系統的擴展。