摘 要

开放式数控是数控系统中的最活跃的分支。开放式运动控制器是数控系统的核心。对于数控系统来说，最重要就是按照指令要求，控制各轴步进电机按预定轨迹运动，而此功能的实现正是由运动控制器来完成的。运动控制器以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发出勃勃生机^[1]。

随着微电子技术与半导体工艺的发展DSP芯片的性能不断提高，成本不断下降，而且专门针对电机控制的各种DSP芯片也不断涌现，因此目前高性能运动控制器大都采用DSP芯片为核心。基于DSP的运动控制器不但能使复杂的算法和功能得以实现，而且采用软硬件配合开发，有一定的灵活性；但如果外围电路采用分立元件，则会由于数量较多，可靠性不高。

本文在分析了运动控制器的原理上，提出了采用DSP为核心设计运动控制器的方案。论文首先对运动控制器的主要应用领域、研究现状做了概括介绍；接着对运动控制器的分类及原理进行了一般性研究；然后分析了运动控制器的基本组成及其关键技术；在此基础上结合数控机床系统，完成了以DSP为核心的步进电机多轴运动控制器的软、硬件设计。

关键词：数控；步进电机； DSP

Abstract

Open CNC is the most active branch in the numerical control system. Open motion controller is the core of the numerical control system. For CNC system, the most important is in accordance with the requirements of the command, control the stepper motor according to the predetermined trajectory, and the realization of this function is to complete the motion controller. Motion controller with its unique flexibility and excellent track control ability to control much industrial production equipment grow with vitality.

With the continuous improvement of the performance of microelectronic technology and semiconductor technology development of DSP chips, costs continue to decline, and specifically for motor control DSP chip are constantly emerging, so the current high performance motion control most of the DSP chip as the core. Motion controller based on DSP can not only enable complex algorithms and functions can be realized, and the software and hardware development, there is a certain degree of flexibility; but if the peripheral circuit using discrete components, due to a large number of , and the reliability is high.

In this paper, the principle of motion controller is analyzed, and the scheme of motion controller based on DSP is proposed. Firstly, and the status quo of the research on motion controller is mainly applied to the field to make a general introduction; and then conducts a general study of the classification and the principle of the motion controller. Then it analyses the basic components and key technology of motion controller, based on combined with CNC machine tools, complete with digital signal processor (DSP) for the design of the hardware and software of the core, multi axis motion controller and the simulation verify the feasibility .

Key words: CNC; stepper motor; DSP

目录

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2步进电机的发展及应用 1

1.3研究的基本内容 2

1.4论文的主要内容及结构 2

第2章 步进电机 3

2.1步进电机种类 3

2.2 步进电动机的性能指标 3

2.2.1步距角精度 3

2.2.2静态扭矩角特性 3

2.2.3动态转矩和转矩频率特性 4

2.2.4起动频率和惯性特性 4

2.2.5运行频率 4

2.3 步进电机的相数 4

2.4 步进电动机的选择 4

2.5步进电机驱动原理 4

第3章 DSP芯片 6

3.1DSP芯片的特点 6

3.2 DSP芯片的发展 6

3.4 DSP芯片的基本结构 7

3.4.1哈佛架构 7

3.4.2流水线 7

3.4.3专用的硬件乘法器 7

3.4.4专用DSP指令 8

3.4.5快速指令周期 8

3.5DSP在电机控制中的应用 8

3.6步进电机的 DSP 控制原理 9

3.7DSP控制步进电机三轴联动的方法 10

第4章 硬件设计 11

4.1系统硬件设计说明 11

4.2驱动电路 12

4.3时钟电路设计 12

4.4外部存储器设计 13

4.5电源模块 15

4.6加减速控制原理 15

4.7PWM产生 16

第5章 软件系统设计 17

5.1DSP开发软件CCS介绍 17

5.2DSP软件C语言开发流程 18

5.3DSP 软件设计 20

5.4 DSP程序流程图 20

第6章　结束语 22

参考文献 23

附录一控制系统硬件原理图 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1选题背景

步进电机是由一个电脉冲信号控制，具有容易开环控制精度，无功积累误差等优点，被广泛应用于数控机床、机器人、自动化、仪表等领域。伴随着计算机技术的发展，特别是数字信号处理器芯片的出现，对步进电机的控制，创造了新的局面。控制系统不仅可以减少体积、简化电路，而且还可以进一步提高控制精度和智能电机的控制系统，从而逐步实现嵌入式控制系统。基于数字信号处理器的步进电机控制技术在九十年代得到了飞速的发展，主要用于航空航天、工业、机器人、精密测量等领域的发展迅速。步进电机技术经过数控机床的应用，控制和测量的精度得到了很大的提高，这使得步进电机控制系统的应用前景变得更加广阔。数字信号处理器的控制器技术主要体现在三个方面，硬件解决方案、核心控制算法和应用软件。与国外的硬件产品相比，国内采用步进电机控制器，实际上没有大的差距，有的甚至更先进。但是与欧美发达国家相比，国内控制器的差距主要体现在控制操作平台及软件上。

1.2步进电机的发展及应用

如今，随着其控制技术和电子技术的发展，传统电机之间的分类越来越模糊。步进电机的工作过程是：输入一个脉冲信号，就会改变一次励磁状态使得转子转动一定角度，而不输入脉冲信号，转子将保持静止状态。因此，步进电机是一种由电脉冲信号控制的无刷直流电机。

步进电机的作用机制是基于电磁铁作用，其原始模型是在1830-1860。1870年前后以控制为目的应用在电极控制输送机构中。这被称为作为第一步进电机。上世纪60年代末，随着永磁材料的发展，各种步进电机的实用性被开发，以及半导体步进电机的发展在各个领域的应用。在过去的30年中，步进电机得到了快速发展和成熟。发展趋势方面，步进电机能配合直流电机、异步电机、同步电机等。