摘 要： 討論了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理以及數(shù)字PI控制策略。介紹了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的軟硬件結(jié)構(gòu)，并給出了實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)相電流波形。通過采用電壓補(bǔ)償、電流負(fù)反饋以及數(shù)字PI調(diào)節(jié)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)相電流進(jìn)行“階梯化”正弦波控制，使步進(jìn)電機(jī)相電流接近正弦波，改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行工況。
關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；DSP；PI控制
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)，在工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，從而沒有位置累積誤差，易于進(jìn)行精確的位置和速度控制；步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制器可組成開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單又可靠，可大大減少系統(tǒng)的成本。但是由于步進(jìn)電機(jī)分辨率不高、低頻振動(dòng)、噪聲大等問題，使得步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用局限于一些振動(dòng)、噪音以及分辨率要求不高的場(chǎng)合，因而出現(xiàn)了許多旨在提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的措施，采用細(xì)分技術(shù)無疑是最常用、最簡便的方法。細(xì)分技術(shù)可使得在不改變步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下減小步矩角，這大大減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)和噪音，提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度[1]。
電機(jī)專用DSP的出現(xiàn)，為電機(jī)控制提供了強(qiáng)有力的工具。TMS320LF2407A是TI公司推出的專為數(shù)字電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP器件，該器件集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊、事件管理器等電機(jī)控制系統(tǒng)所必需的外圍器件，其CPU具有16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核，指令系統(tǒng)豐富靈活，運(yùn)算速度40 MHz，利用其高速運(yùn)算能力可以實(shí)時(shí)完成各種復(fù)雜控制算法。
本文主要討論了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分原理和數(shù)字PI控制策略，同時(shí)給出了基于DSP的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的軟硬件設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果。
1 原理與設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是通過精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實(shí)現(xiàn)，即步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一步時(shí)，其繞組電流不是全部通入或者切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步矩角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步矩角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)就是將步進(jìn)電機(jī)相電流從零電流值到最大電流值之間分成了多個(gè)穩(wěn)定的電流狀態(tài)。
以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，這里采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，電機(jī)A、B相繞組通過的電流iA、iB可描述如下：
式中，I為電流幅值，φ準(zhǔn)為電機(jī)軸預(yù)置位置的電角度。
1.2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器軟硬件實(shí)現(xiàn)
基于DSP的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的控制結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)的電流細(xì)分控制由DSP軟件來完成，主要采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)輸入電壓進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)電壓的補(bǔ)償，可使得細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在寬電壓范圍內(nèi)均能正常工作。現(xiàn)分別介紹其硬件電路組成以及軟件結(jié)構(gòu)。
1.3 硬件電路
本細(xì)分驅(qū)動(dòng)器硬件主要由DSP、功率場(chǎng)效應(yīng)管H橋逆變器、功率場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路以及電機(jī)相電流檢測(cè)電路等構(gòu)成。
驅(qū)動(dòng)主回路如圖3所示，每相采用H橋驅(qū)動(dòng)，由兩相組成，每相使用4個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管。以A相為例，當(dāng)需通以正向電流時(shí)，則開通Q1、Q3，當(dāng)要通以反向電流時(shí)，則開通Q2、Q4。電阻R1是采樣電阻，用來檢測(cè)電機(jī)相電流的大小。同時(shí)對(duì)主回路設(shè)有過流、過壓的硬件保護(hù)，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
采用TMS320LF2407A作為控制核心實(shí)現(xiàn)了DSP的單片解決方案，圖4表示了DSP的主要實(shí)現(xiàn)方式。TMS320LF2407A片內(nèi)帶有高性能的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，包含內(nèi)部采樣保持電路，將檢測(cè)到的相電流信號(hào)、輸入電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，然后接入DSP的A/D 轉(zhuǎn)換通道。TMS320LF2407A有兩個(gè)事件管理器模塊，每個(gè)事件管理器模塊提供帶有可編程死區(qū)的PWM通道，每個(gè)通道都有單獨(dú)的比較寄存器，通過對(duì)其寫入就可以改變PWM的占空比，從而控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號(hào)經(jīng)功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的H橋逆變器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。事件管理器模塊A的PWM1、PWM3、PWM5、T1PWM控制A相電機(jī)繞組，事件管理器模塊B的PWM7、PWM9、PWM11、T3PWM控制B相電機(jī)繞組。TCLKINA、TDIRA管腳分別接步進(jìn)脈沖信號(hào)、方向信號(hào)。/PDPINTA、/PDPINTB為低電平時(shí)可分別禁止事件管理器模塊A、事件管理器模塊B的PWM信號(hào)，由圖4所示方式實(shí)現(xiàn)了主回路過流的硬件保護(hù)，基準(zhǔn)電壓值代表了過流保護(hù)的門限電流值大小。脫機(jī)信號(hào)、細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定、電流值設(shè)定等外部信號(hào)均接至DSP的I/O管腳。
1.4 軟件結(jié)構(gòu)
DSP軟件采用C語言編程，主要由主程序和中斷程序構(gòu)成，如圖5所示。
主程序主要完成如下功能：DSP系統(tǒng)資源的初始化；電流值設(shè)定掃描以及電流設(shè)定值為幅值的正弦波表的建立；細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定和脫機(jī)信號(hào)的掃描；負(fù)責(zé)中斷程序調(diào)用等。在DSP系統(tǒng)資源初始化里，定時(shí)器T1、T3用于產(chǎn)生PWM周期，分別作用于A、B相的H橋電路，同時(shí)當(dāng)T1下溢時(shí)啟動(dòng)DSP的A/D轉(zhuǎn)換。定時(shí)器T2用于計(jì)外部給的脈沖信號(hào)數(shù)，即步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)的步數(shù)。A/D中斷的設(shè)置使每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷。正弦波電流表的建立，使得在A/D中斷程序中每次調(diào)用電流給定值時(shí)節(jié)省了計(jì)算所需的時(shí)間。
A/D中斷程序主要是計(jì)算要達(dá)到給定電流值時(shí)PWM實(shí)際的占空比。在A/D中斷程序中，首先讀取相電流、輸入電壓的大小，同時(shí)也讀取T2計(jì)數(shù)器的值，該值表示了步進(jìn)電機(jī)需前進(jìn)的步數(shù)，然后根據(jù)所采樣的電流、電壓值對(duì)電流進(jìn)行數(shù)字PI控制、電壓補(bǔ)償，計(jì)算出下一個(gè)載波周期的占空比，并將計(jì)算結(jié)果寫入寄存器，當(dāng)下一個(gè)周期脈沖到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地使用寄存器的結(jié)果來控制脈寬調(diào)制器，這樣不斷重復(fù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。
2 實(shí)驗(yàn)
上述細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)已成功用于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電流在3 A～6 A可調(diào)，供電電壓在12 V～75 V范圍內(nèi)均可正常工作，細(xì)分?jǐn)?shù)高達(dá)256，并提供細(xì)分在線切換功能。圖6是步進(jìn)電機(jī)64細(xì)分運(yùn)行時(shí)的繞組電流波形。
采用DSP控制能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步矩角細(xì)分，并且硬件電路具有通用性，能夠滿足不同細(xì)分的要求。PI調(diào)節(jié)器能夠方便地對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行控制，受系統(tǒng)參數(shù)影響較小，有較好的快速響應(yīng)。通過在H橋臂中串接采樣電阻，并結(jié)合軟件的方法來實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)低成本的電機(jī)相電流檢測(cè)。采用TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，所組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只需很少的外部器件，其性能高、成本較低，有很好的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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