基于DSP的直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文,王笑琴

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專用稿紙畢業(yè)設(shè)計(jì)/論文課題名稱 基于DSP的直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 院 系 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化1201班 學(xué)生姓名 王笑琴 武昌首義學(xué)院基于DSP的直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要 本文在直線步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理與特性的基礎(chǔ)上，著重分析兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、磁鏈及工作原理。根據(jù)兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)繞組的通電特點(diǎn)和脈沖步進(jìn)控制方法，采用以DSP為核心的控制單元，以具有細(xì)分功能的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片A3977SED作為功率驅(qū)動(dòng)器件，對(duì)兩相混合式直線步迸電機(jī)提出了總體控制方案，并分別就控制系統(tǒng)技術(shù)方案、硬件電路、控制軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了詳

2、細(xì)的分析和研究。本設(shè)計(jì)以典型電機(jī)微控制器TMS320F28xx芯片為控制核心，采用反饋和開(kāi)環(huán)控制相結(jié)合方式。闡述了如何利用TMS320F28xx實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向、速度控制，具有較好的運(yùn)行效果，可獲得近似于伺服電機(jī)的性能，具有較高的性價(jià)比。關(guān)鍵詞：直線步進(jìn)電機(jī)；DSP；控制系統(tǒng)；TMS320F28xx Modern Design of linear stepper motor control system based on DSPAbstractOn the basis of the basic structure, principle and characteristic of linear st

3、epping motor, the structure, flux and working principle of the two phase hybrid linear stepping motor are analyzed.According to the two phase hybrid linear step into the motor winding energized characteristics and pulse step control method, with DSP as the core control unit, to two-phase step with a

4、 functional subdivision of the stepping motor drive IC A3977SED as a power drive part, the two-phase hybrid linear stepping motor proposed overall control scheme and control system technology, hardware circuit and control software design were analyzed and studied in detail by using.This design takes

5、 the typical motor micro controller TMS320F28xx chip as the control core, uses the feedback and the open loop control combination way. This paper describes how to use TMS320F28xx to achieve the motor steering and speed control, and has a good running effect. It can obtain the performance of the serv

6、o motor and has a high performance price ratio.Key words: linear stepper motor; DSP; control system; TMS320F28xx- 19 -目 錄1 緒論.11.1 直線步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及控制方式.11.2.1 直線步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn).11.2.2 直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).12 兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)原理.32.1 直線步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介.32.2 直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理.32.3 直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理分析.53 直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).63.1 控制系統(tǒng)硬件組成.63.2 控制器.63.

7、3 TMS320F28xx概述.73.4 驅(qū)動(dòng)器.83.5 總體設(shè)計(jì).113.6 硬件組成.114 直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).134.1 PWM脈沖序列的產(chǎn)生.134.2 步進(jìn)電機(jī)的控制.134.3 程序設(shè)計(jì).145 總結(jié).20主要參考文獻(xiàn).21致 謝.22緒 論1 直線步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及控制方式1.1 直線步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制器件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻

8、率來(lái)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。 直線步進(jìn)電機(jī)，是一種將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成微步直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)這種電機(jī)外加一個(gè)電脈沖時(shí)，就會(huì)直線地運(yùn)動(dòng)一步并準(zhǔn)確地鎖定在所希望的位置上。因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)形式是直線步進(jìn)的，因而稱為直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可廣泛地應(yīng)用于各種精密設(shè)備，如自動(dòng)繪圖儀、計(jì)算機(jī)設(shè)備、智能儀器儀表、機(jī)器人、電子設(shè)備及各種自動(dòng)化檢測(cè)、控制等領(lǐng)域當(dāng)中。1.2 直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)階段直線步進(jìn)電機(jī)的控制方式主要有：基于MCU的控制系統(tǒng)、基于DSP的控制系統(tǒng)、基于ASIC的控制系統(tǒng)。1.2.1 基于MCU的控制系統(tǒng) 現(xiàn)在普遍采用MCU作為電動(dòng)機(jī)的控制器。MCU作

9、為電動(dòng)機(jī)的控制器使電路更簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制。MCU的控制方式是由軟件完成，靈活性、適應(yīng)性比較好。數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，控制精度高。還可以具備人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作等特點(diǎn)。MCU介于IPC和PLC之間，它有較強(qiáng)的控制功能、低廉的成本，因此性價(jià)比較高。1.2.2 基于DSP的控制系統(tǒng)由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP(數(shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)在電機(jī)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)的TI和AD公司都已經(jīng)研制以DSP為內(nèi)核的集成電動(dòng)機(jī)控制芯片，這些芯片不僅具有高速信號(hào)處理能力和數(shù)字控制功能，而且還有為電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用所必需的外圍功能。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中采用電動(dòng)機(jī)專用的D

10、SP，不但可以實(shí)現(xiàn)如矢量控制、直接轉(zhuǎn)距控制這樣的控制算法，而且也有條件完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜算法，如自適應(yīng)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。本設(shè)計(jì)采用TMS320F28xx系列DSP芯片具有高速的數(shù)字信號(hào)能力和專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。使得高實(shí)時(shí)性要求和復(fù)雜算法在電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)成為可能。2 兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)原理2.1 直線步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 近年來(lái)，隨著科技方面取得的長(zhǎng)足發(fā)展，為直線電機(jī)的應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。各種新型控制元器件的出現(xiàn)，以及材料技術(shù)的飛速發(fā)展為直線電機(jī)的應(yīng)用更是錦上添花。直線步進(jìn)電機(jī)的原理和旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)一樣，與直流電機(jī)和異步電機(jī)不同，加給直線步進(jìn)電機(jī)的電流是脈沖電。對(duì)直線

11、步進(jìn)電機(jī)的控制，其最核心的地方就是脈沖頻率和占空比的控制，我們可以由數(shù)字控制器來(lái)得到占空比合適的電脈沖。直線步進(jìn)電機(jī)的角位移以輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格的成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。由直線步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，即非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。直線步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。它的速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載2.2 直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理直線步進(jìn)電機(jī)大致可歸納為兩大類(lèi)型：一類(lèi)是反應(yīng)式直線步進(jìn)電機(jī)，另一類(lèi)是混合式直線步進(jìn)

12、電機(jī)。本文選取了兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行討論研究，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，基本結(jié)構(gòu)由定子、動(dòng)子及線圈組成。定子由開(kāi)有等距齒槽的疊片鐵心組成，動(dòng)子由永久磁鐵和電磁鐵EMA與EMB組成。電磁鐵EMA上安放繞組A，具有1和2兩個(gè)磁極，電磁鐵EMB上安放繞組B，具有3和4兩個(gè)磁極，4個(gè)磁極上有兒個(gè)齒，且定子和動(dòng)子齒距相等。磁場(chǎng)是由永久磁鐵和繞組電流共同產(chǎn)生的。當(dāng)電磁鐵沒(méi)有電流時(shí)，永久磁鐵向所有的磁極提供了/2的常值磁通(是永久磁鐵提供的總磁通)，此時(shí)，動(dòng)子上沒(méi)有水平推力，動(dòng)子可以穩(wěn)定在任何位置上。隨著各相控制繞組中的電流發(fā)生變化，使得各極下的磁場(chǎng)位置發(fā)生變化，因而帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)子產(chǎn)生直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。圖2

13、-1 兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如果讓線圈A通入余弦電流，同時(shí)讓線圈B通入正弦電流(如圖2-2中虛線所示)，則在。0-/2范圍內(nèi)，線圈B中的電流從零逐漸增大到最大值，使得極4下的磁通由/2逐漸增大到最大值，而極3下的磁通逐漸由/2下降到零。同時(shí)極1的磁通隨著下降而下降，配合線圈B使動(dòng)子平滑均勻地移動(dòng)。由于磁通具有通過(guò)磁阻最小路徑的原理，所以電流由大到小交變一次，動(dòng)子就移動(dòng)1個(gè)齒距。 當(dāng)A相電流由最大值下降到零，B相電流由零上升到最大值時(shí)，動(dòng)子移動(dòng)了1/4齒距。如果在A相電流由最大值下降的同時(shí)，B相電流由零開(kāi)始上升，當(dāng)它們的值達(dá)到相等時(shí)，則動(dòng)子對(duì)應(yīng)地正好移過(guò)1/8齒距。如果將上述A相和B相

14、的正、余弦電流每個(gè)周期都用40個(gè)等寬不等幅的脈沖代替(見(jiàn)圖2-3)，則每個(gè)脈沖的寬度為(電角度)，對(duì)于每個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)相對(duì)于原位置移動(dòng)1/40齒距，此時(shí)步距為1/40齒距，可見(jiàn)電機(jī)的步距分辨率比原來(lái)提高了10倍。這種控制步進(jìn)電機(jī)工作的方法就是細(xì)分技術(shù)，利用細(xì)分技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和精確的定位。圖2-2 兩相同時(shí)通電時(shí)的電流波形圖2-3 用脈沖群逼近正余弦曲線2.3 直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理分析 從混合式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理得知，混合式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要一個(gè)雙極性控制電源，下面簡(jiǎn)單介紹一下，一種比較典型的晶體管橋式雙極性驅(qū)動(dòng)電路，如圖2-4所示。 根據(jù)所需要的電流極性，成對(duì)的開(kāi)關(guān)三

15、級(jí)管對(duì)相繞組的正向勵(lì)磁，就要接通三極管V1和V4，以便電流路徑由電源通過(guò)三極管Vl到相繞組及限流電阻R,然后經(jīng)過(guò)三極管V4回到電源。在相反的情況下，接通三極管V2和V3，以便電流朝相繞組相反的方向流動(dòng)。在橋中的四個(gè)開(kāi)關(guān)三極管需要獨(dú)立的基極驅(qū)動(dòng)器來(lái)放大這兩種(正的和負(fù)的)相控制信號(hào)，這信號(hào)要通過(guò)光電隔離管來(lái)傳遞。圖2-4中四個(gè)二極管的橋，它們相反地并聯(lián)在開(kāi)關(guān)三極管上，以提供續(xù)流回路，圖2-4中虛線說(shuō)明在打開(kāi)三極管V1和V4后，瞬時(shí)續(xù)流經(jīng)過(guò)二極管V6和V7的路徑情況。這續(xù)流路徑包括直流電源在內(nèi)，因此某些儲(chǔ)存在相繞組電感中的能量，在打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，被返回到電源。由這引起改善整個(gè)系統(tǒng)效率的效果表明雙極性橋

16、式驅(qū)動(dòng)電路勝過(guò)單極性驅(qū)動(dòng)。在雙極性驅(qū)動(dòng)電路中，續(xù)流比單極性驅(qū)動(dòng)電路衰減更迅速，因?yàn)橹绷麟娫捶磳?duì)它們，因此，在雙極性電路中不需要續(xù)流電阻。圖2-4 晶體管橋式雙極性驅(qū)動(dòng)電路3 直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)硬件組成 本控制系統(tǒng)由控制器，直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直線步進(jìn)電機(jī)、負(fù)載、和光電碼盤(pán)等組成，控制系統(tǒng)基本組成見(jiàn)圖3-1。 控制器送給驅(qū)動(dòng)器一定頻率和個(gè)數(shù)的脈沖，驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信息和方向信號(hào)，碼盤(pán)反饋位置信息給控制器，步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)屬于數(shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)型，一個(gè)脈沖走一步，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)可以確定其位置，通過(guò)脈沖的頻率可以控制轉(zhuǎn)速。但如果控制做的不好，容易導(dǎo)致失步

17、甚至堵轉(zhuǎn)，例如當(dāng)負(fù)載的速度跟不上脈沖的頻率時(shí)，就會(huì)失步。當(dāng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)發(fā)生失步時(shí)，控制器并不知道系統(tǒng)已失步，此時(shí)如果有位置反饋及時(shí)糾錯(cuò)，同時(shí)修正系統(tǒng)的加減速控制，就可以使系統(tǒng)繼續(xù)正常的工作，這樣提高系統(tǒng)的精度，同時(shí)也避免了堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。圖3-1 控制系統(tǒng)基本組成圖3.2 控制器 控制器用于完成微機(jī)伺服命令解釋，在位置反饋下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制， 主要包括：微機(jī)通訊接口、碼盤(pán)接口、碼盤(pán)信號(hào)處理、驅(qū)動(dòng)電機(jī)接口、TMS320F28xx、電源等，其中控制主板接口全部采用光電隔離措施，控制器原理框圖見(jiàn)圖3-2所示。 圖3-2 控制器原理框圖其中，DSP作為核心處理器實(shí)現(xiàn)各種外圍功能和核心算法，F(xiàn)PGA配

18、合DSP實(shí)現(xiàn)加減速控制，輸出脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器。編碼器的正交信號(hào)可以直接送給DSP的碼盤(pán)接口由DSP計(jì)數(shù)，也可送給FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后由DSP讀取，進(jìn)而減輕DSP的負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)的編碼器線數(shù)為3600線，4倍頻后是14400，小于DSP內(nèi)部編碼器期寄存器的計(jì)數(shù)范圍，所以本系統(tǒng)直接采用DSP自帶編碼器器接口實(shí)現(xiàn)碼盤(pán)位置信息的采集。3.2.1 TMS320F28xx概述TMS320F28xx DSP是TI公司新推出的一款浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器，它在已有的DSP平臺(tái)上增加了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，既保持了原有DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)，又能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，可以節(jié)省代碼執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間，具有精度高、成本低、功耗小、外

19、設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)及程序在儲(chǔ)量大和AD轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)。TMS320F28xx具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為T(mén)I特有的更高精度的PWM（HRPWM），12位16通道ADC。得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用戶可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力，與前代DSP相比，平均性能提高50，并與定點(diǎn)C28X控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。具有密碼保護(hù)機(jī)制，可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行合理的系統(tǒng)配置和編程可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算。功能框圖如圖3

20、-3所示。其主要資源和性能指標(biāo)如下：1)高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻最高可達(dá)150MHz（時(shí)鐘周期6.67ns）,低功耗，1.8V核電壓和3.3V I/O電壓供電。2)支持JTAGB邊界掃描。3)32位高性能CPU，可實(shí)現(xiàn)32×32位或16×16位乘法累加，哈佛總線結(jié)構(gòu)，與TMS320F24x/LF240x DSP源代碼兼容。4)片上內(nèi)存豐富，含有128K×16bits可加密FLASH，18K×16bitsSARAM。5)外部接口可達(dá)1M×16bits的存儲(chǔ)器，可編程等待周期，三個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)。6)片上集成了16個(gè)通道的12位A/D接口，最小

21、轉(zhuǎn)換時(shí)間80ns，可靈活設(shè)置采樣方式。7)看門(mén)狗定時(shí)器模塊，支持鎖相環(huán)模塊PLL比率動(dòng)態(tài)改變。8)中斷資源豐富，可支持96個(gè)外設(shè)計(jì)中斷和3個(gè)外部中斷，提取中斷向量和保存現(xiàn)場(chǎng)只需9個(gè)時(shí)鐘周期，響應(yīng)速度快。9)通用輸入/輸出多路復(fù)用器（GPIO）擁有多達(dá)56個(gè)I/O口。10)片內(nèi)功能豐富：兩個(gè)時(shí)間管理模塊（EV），包括4路16位時(shí)間定時(shí)器，12路PWM輸出通道及6路光電碼盤(pán)接口；2路串行通信接口（SCI）以及1路多通道緩沖串行接口（McBSP）和1路eCAN總線模塊。圖3-3 TMS320F28xx功能框圖3.3 驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)器主要包括環(huán)形分配器和功率放大器。驅(qū)動(dòng)器基本框圖如3-4。各部分原理分析

22、如下：圖3-4 驅(qū)動(dòng)基本框圖3.3.1脈沖信號(hào)產(chǎn)生脈沖信號(hào)一般由MCU或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。3.3.2信號(hào)分配  我們選用二相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如 下：二相四拍有A-B-/A-/B和,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-DA,(步距角為0.9度）。信號(hào)分配可以直接通過(guò)DSP產(chǎn)生，但為了減小DSP的負(fù)擔(dān)，我們通過(guò)ASIC實(shí)現(xiàn)信號(hào)的環(huán)形分配。圖3-5

23、 驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁通電圖3.3.3功率放大 功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。經(jīng)上面的精度分析，步進(jìn)電機(jī)在半步0.9度，在加上減速比i，i=10 時(shí)步距角可以達(dá)到0.09度，i=60時(shí)理論上可以達(dá)到更高。所以，可以不采用細(xì)分控制，這樣有很多專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可用例如：L297和L298,PBL37770A,PM8

24、713等。包含8細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)芯片也有幾款可用，例如 ALLEGRO公司的A3955SB，AS796，MTD2005，SAA1042，UC3770是可實(shí)現(xiàn)8細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)芯片。3.3.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過(guò)改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。圖3-6 合成磁場(chǎng)示意圖為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和模塊化，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。與控制器接口光電隔離。步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越

25、高。電壓對(duì)力矩影響如下：圖3-7 力矩-速度3.4總體設(shè)計(jì)采用電機(jī)微控制器TMS320F28xx芯片根據(jù)控制算法輸出一個(gè)特定的PWM脈沖序列，該脈沖序列經(jīng)由特定的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度的步進(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行速度并送上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。3.5硬件組成本控制系統(tǒng)中主要硬件：TMS320F28xx芯片；位置傳感器選用3600線增量式光電編碼器； 控制系統(tǒng)中所選步進(jìn)電機(jī)為：兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角 0.9度/1.8度，驅(qū)動(dòng)電壓選24v。從理論上講，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式只需要通過(guò)循環(huán)改變定子線圈勵(lì)磁就能實(shí)現(xiàn)，但是由于電機(jī)對(duì)電路驅(qū)動(dòng)能力要求高，故本系統(tǒng)采用外接驅(qū)動(dòng)芯片A39

26、77。A3977細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用高性能的專用微步距電腦控制芯片，其含內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的完整的微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。只需在一個(gè)步進(jìn)輸入一個(gè)脈沖即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一個(gè)步進(jìn)，通過(guò)兩個(gè)邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進(jìn)模式。其內(nèi)部同步整流控制電路用來(lái)改善脈寬調(diào)制（PWM）操作時(shí)的功率消耗，并且該芯片可以自動(dòng)地控制其PWM操作在快、慢及混合衰減模式。本驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)置為全步模式，其采用共陰接法en使能，dir控制方向，step信號(hào)接收脈沖信號(hào)，信號(hào)的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖的個(gè)數(shù)控制電機(jī)的步進(jìn)距離。系統(tǒng)的總體硬件圖如圖3-8所示。圖3-8 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)圖4 直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1PWM脈沖序列的產(chǎn)生

27、 PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)產(chǎn)生就是電流調(diào)整過(guò)程，通過(guò)產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角，從而調(diào)整輸出電流平均值，達(dá)到轉(zhuǎn)速控制目的。本系統(tǒng)采用DSP28xx共12路16位的ePWM，能進(jìn)行頻率和占空比控制。PWM信號(hào)頻率由時(shí)基周期寄存器TBPDR和時(shí)基計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式?jīng)Q定。初始化程序采用的計(jì)數(shù)模式為遞增計(jì)數(shù)模式。在遞增計(jì)數(shù)模式下，時(shí)基計(jì)數(shù)器

28、從零開(kāi)始增加，直到達(dá)到周期寄存器值（TBPDR），然后時(shí)基計(jì)數(shù)器復(fù)位到零，再次開(kāi)始增加。PWM信號(hào)周期與頻率的計(jì)算如下： TBCLK=SYSCLKOUT/(HSPCLKDIV×CLKDIV): (1)Tpwm=（TBPRD+1）*Ttbclk: (2)Fpwm=1/（Tpwm） (3)其初設(shè)置程序流程圖如圖4-1所示。初始化函數(shù)初始化IO口設(shè)置EPWM2B輸出PWM脈沖設(shè)置TBPRD完成計(jì)數(shù)周期改變計(jì)數(shù)頻率設(shè)置增計(jì)數(shù)模式初始化其他變量設(shè)置占空比進(jìn)行反轉(zhuǎn)設(shè)置圖4-1 程序流程圖4.2步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)。每接收一個(gè)脈沖信號(hào)CP，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)

29、一個(gè)步距角，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與CP的頻率成正比，CP的脈沖個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由DIR信號(hào)決定。在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果CP信號(hào)變化太快，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象。所以直接按最高運(yùn)行速度啟動(dòng)將產(chǎn)生丟步或根本不能運(yùn)行的情況，而對(duì)于正在快速運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)，若在到達(dá)終點(diǎn)附近，立即停發(fā)脈沖，令其立即鎖定，也很難實(shí)現(xiàn)。由于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性，會(huì)發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象。 因此步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有一個(gè)升速過(guò)程，同樣在停止時(shí)也必須有一個(gè)減速的過(guò)程。升速過(guò)程由突跳頻率加升速曲線組成（減速過(guò)程則反之）。所謂突跳頻率是指步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率f0,此頻率不可太

30、大，否則也會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步。因此，在控制過(guò)程中，運(yùn)行速度要有一個(gè)加速高恒速減速停止的過(guò)程。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制有多種形式，常用的有按指數(shù)曲線和按勻加減速直線規(guī)律安排加減速。直線加減速平穩(wěn)性較好，適用在速度變化范圍較大的快速定位中，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較繁瑣。步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過(guò)程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)升速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程。所選定的這種曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降的運(yùn)行規(guī)律。能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。4.3程序設(shè)計(jì)4.3.1無(wú)反饋控制模式 這樣對(duì)步進(jìn)電機(jī)的升降頻控制就顯得格外重要，這也成了本設(shè)計(jì)的

31、一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)變速過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性，以指數(shù)曲線前段規(guī)律作為前后沿的近似梯形確定的升降頻特性，既能保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程不會(huì)失步，又充分發(fā)揮了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的固有性能，使升頻過(guò)程達(dá)到時(shí)間最短要求。 升降頻控制算法的實(shí)現(xiàn)通常是將其離散化，即將其轉(zhuǎn)換為脈沖時(shí)間間隔對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的函數(shù)，另一種方法是按升降頻過(guò)程所走過(guò)的脈沖步數(shù)定步中斷來(lái)變頻。但是離散化方法既會(huì)引起頻率突跳和失步，又要進(jìn)行復(fù)雜的迭代運(yùn)算，而定步法同樣需要進(jìn)行迭代。這兩種方法在DSP上不易實(shí)現(xiàn)，靈活性較差。為此本文研究一種可稱為定時(shí)的方法。 設(shè)最高運(yùn)行頻率為fh（電機(jī)恒速段的速度），升頻段總時(shí)間為ts。則根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)指數(shù)型升頻過(guò)程的頻率時(shí)

32、間關(guān)系： F（t）=fM -(fM-fb)*exp(-t/T) (1)式中fb為步進(jìn)電機(jī)氣動(dòng)頻率；fM為極限運(yùn)行頻率；T為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)則有： fh=f(ts)=fM-(fM-fb) *exp(-ts/T)從而得到： ts=T*ln(fM-fb)/ (fM-fh) (2)將ts等分為N段，得到各段時(shí)間為：ta=ts/N則第i個(gè)等分段ta內(nèi)脈沖切換頻率和要送出的脈沖數(shù)分別為： Fi-f(i*ta)=fM-(fM-fb)*exp(-i*ta /T) (3) Xi=ta*fi (4)故升頻段的總步數(shù)為：P= X0+ X1+ XN-1 (5)將脈沖間隔1/ fi轉(zhuǎn)換為DSP內(nèi)部32位定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)

33、Ki。轉(zhuǎn)換關(guān)系式為： Ki=f_DSP/fi,i=0,1,2, , N-1 (6)由于降頻段特性變化規(guī)律與升頻段相反，可知降頻序列是升頻序列的逆序列。 電機(jī)在恒速步進(jìn)階段，以fh的換相頻率步進(jìn)。因此對(duì)應(yīng)的定時(shí)器時(shí)間常數(shù)為： KN=f_DSP/fh (7)恒速段總步數(shù)為：X_h=X_total-2*P (8)式中X_total為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的總步數(shù)。電機(jī)運(yùn)行前，由主程序計(jì)算出升頻段和恒速段定時(shí)器時(shí)間常數(shù)序列Ki（i=0,1,2, , N-1），存放于DSP的4k的SARAM中，形成一個(gè)K-P升速表格。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在線查表，用取出的Ki設(shè)置DSP的PWM中的周期寄存器的值，從而不斷改變PWM波形

34、的周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。根據(jù)升速、降速和高頻恒速，決定升速表地址指針增1、減1或不變。通過(guò)這種定時(shí)的方法，一方面提高了系統(tǒng)的靈活性，可根據(jù)輸入的最高頻、起動(dòng)頻率等參數(shù)改變升降速表，另一方面升降速表的求取不占用運(yùn)行時(shí)間，從而提高了運(yùn)行效率。步進(jìn)電機(jī)控制模塊的部分程序代碼如下：/主循環(huán)，一直循環(huán)While(1) FindAddr();/一直循環(huán)讀取地址信息，直到地址正確/讀入電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向：1.順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)；否則，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)Direction=_getkey()；/讀入電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度Speed=_getkey()；If(Direction=1)P1_1=0；/方向：順時(shí)針elseP1_1=

35、1；/方向：逆時(shí)針for(j=0；jSteps；j+)P1_0=!P1_0:/一個(gè)上升沿/延時(shí)（為了控制速度而使用的空循環(huán)）for(i=0；jSpeed；i+)P1_0=!P1_0:/一個(gè)下降沿for(i=0；jSpeed；i+)/檢查轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中是否收到字母qCharacter=SBUF；RI=0:/如果收到字母q，則停止if(Character=q)break；Printf(“l(fā)d”,j)；/返回實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)；break；4.3.2速度反饋模式 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，在沒(méi)有失步和堵轉(zhuǎn)的情況下，可以不采用速度反饋。而這些要求在實(shí)際中往往難以保證。為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，抗干擾性，防止在失步或堵轉(zhuǎn)時(shí)出

36、現(xiàn)的嘯叫聲音，同時(shí)使系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可采用速度反饋。 速度反饋的實(shí)現(xiàn)有兩種方案：碼盤(pán)位置的差分處理 和 PWM中斷中的同步檢測(cè)。碼盤(pán)位置差分處理。采用定時(shí)器的定時(shí)采集位置數(shù)據(jù)，并取差，計(jì)算出速度。并與指令速度作比較，然后做相應(yīng)的處理。PWM中斷中位置同步檢測(cè)中斷一次，負(fù)載應(yīng)走一步。計(jì)算中斷次數(shù)和碼盤(pán)的的位置差值，判斷是否失步或堵轉(zhuǎn)。在失步情況下，減速處理，在堵轉(zhuǎn)情況下，馬上停止。同時(shí)置故障標(biāo)志，并上傳。 速度曲線， 包含升速曲線和降速曲線，可以采取直線升速，但影響的快速性。比較來(lái)說(shuō)，指數(shù)曲線是理想的速度曲線，與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性相適應(yīng)。假設(shè)曲線分100段，最高速為15000P/s, 以伺

37、服系統(tǒng)的步距角為單位。指數(shù)曲線：EXP(-n/50)升速曲線：R=15000*(1-EXP(-n/50)降速曲線：R=15000*EXP(-n/50)圖4-2 指數(shù)速度曲線 經(jīng)過(guò)理論和試驗(yàn)分析，升速曲線性能可以，但降速曲線在高速時(shí)的降速加速度較大，而電機(jī)在高速時(shí)的力矩輸入較小，此時(shí)速度較高時(shí)容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，所以把降速曲線設(shè)計(jì)為升速曲線的逆轉(zhuǎn)過(guò)程，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明效果很好。另外因從靜止升速時(shí)指數(shù)曲線的的加速度較大，可以增加在低速階段的運(yùn)行時(shí)間以防止失步，同時(shí)也減小了停止時(shí)的過(guò)沖作用。指數(shù)曲線生成函數(shù)：void produce_curve(Uint16* PU,Uint16* PD,Uint16

38、Fz,float T,Uint16 Nfactor) /T: 指數(shù)曲線間隔取樣時(shí)間， s 單位 Uint16 n=0; /float T=0.02;/nT=0-0.1-0.2-0.3.-3 Uint16 Fzbuf=0; float fbuf=0; float T0=0.001818;/1/550 fbuf=Fz; Fzbuf=fbuf/(1-EXP(100,T); for(n=0;n<9;n+) PU2*n=Fzbuf * (1-EXP(n+1,T0); PU2*n+1=T * PU2*n* 0.5* Nfactor ;/0.8 for(n=0;n<100;n+) PU2*(n+

39、9)=Fzbuf * (1-EXP(n+1,T); if(n<20) PU2*(n+9)+1=T * PU2*(n+9)*0.5* Nfactor ;/0.8 else PU2*(n+9)+1=T * PU2*(n+9)*0.5* Nfactor ; for(n=0;n<109;n+) /PD2*n=Fz * EXP(n,T); /PD2*n+1=T * PD2*n*0.3; PD2*n=PU2*(108-n); PD2*n+1=PU2*(108-n)+1; 速度查找函數(shù)：Uint16 curve_index(Uint16* Pcurve,Uint16 Fre,Uint16 upd

40、own) Uint16 n=0; if(updown=speed_up) for(n=0;n<109-1;n+) if(Fre<=Pcurve2*n/2+Pcurve2*(n+1)/2) break; else for(n=0;n<109-1;n+) if(Fre>=Pcurve2*n/2+Pcurve2*(n+1)/2) break; return n;總 結(jié)用邏輯電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制目前還比較常見(jiàn)，由于硬件電路成本高、費(fèi)時(shí)多，而且通用性差，限制了其在更大范圍內(nèi)的使用。而當(dāng)前的數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)中，最普遍的是采用MCU及功率器件，這種控制系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定。但是，MCU的指令系統(tǒng)復(fù)雜，多數(shù)指令要23個(gè)指令周期能完成，而其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在同一空間、同一時(shí)刻只能訪問(wèn)指令或數(shù)據(jù)，造成其運(yùn)