基于DSP的三相混合式步進電機驅動器設計

(杭州電子科技大學信息與控制研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移或直線運動的執(zhí)行機構。根據(jù)自身的結構不同，可分為常用3 大類:反應式、永磁式、混合式。其中混合式步進電機兼有反應式和永磁式的優(yōu)點，它的應用越來越廣泛[1]。步進電機細分驅動技術是可以顯著改善步進電機綜合性能的驅動控制技術[2]。本文設計以電機控制專用的Piccolo系列DSP 芯片TMS320F28027為控制核心，實現(xiàn)了基于DSP與IPM的三相混合式步進電機細分驅動器，詳細介紹了驅動器的設計思路以及軟硬件實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)方案設計

步進電機的驅動是通過輪流給步進電機的各相勵磁繞組通以電流，實現(xiàn)步進電機內部磁場合成方向的變化來驅動步進電機，從運行原理上來看，三相混合式步進電機類似于永磁同步電機，因此可以引入永磁同步機的成熟控制方法進行三相混合式步進電機控制器的設計[3，4]。本設計中引入矢量控制的思想，使用電流閉環(huán)的控制方式，實現(xiàn)對步進電機的相電流的控制。對于整個系統(tǒng)，本設計將控制對象視為永磁同步電機。而對于每一相來看，系統(tǒng)實現(xiàn)的依然是一個相電流的細分。

系統(tǒng)控制策略采用如圖1結構，利用電流單閉環(huán)的控制方法，實現(xiàn)對三相混合式步進電機的相電流進行控制[5-7]。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

圖1中，k為脈沖分配器的主序脈沖序數(shù)。利用k以及初始位置，可以計算得出轉子磁鏈位置θk，以及參考電流isqref與isdref。通過電流采樣得到電機的相電流ia與ib，經(jīng)Clark 變換與Park 變換得到isq和isd作為反饋量，分別與isqref和isdref作比較后分別進行PI 調節(jié)，得出電壓參考量Vsqref與Vsdref，反Park 變換后得到Vsαref與Vsβref。而這兩個量經(jīng)SVPWM 運算輸出六路PWM 波，如此則完成電流閉環(huán)控制[7，8]。

2 方案實施

2.1 硬件方案

硬件電路主要分為DSP 核心控制電路和逆變電路2個部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件框圖

2.1.1 DSP控制電路設計

根據(jù)設計需求實現(xiàn)TMS320F28027 最小系統(tǒng)配置，包括撥碼開關電路、PWM 輸出接口、ADC 采樣接口、外部脈沖輸入接口、狀態(tài)指示電路。同時還包括串口通信接口實現(xiàn)產(chǎn)品調試與后期產(chǎn)品升級的功能;配備了EEPROM 芯片ST24C02 用于掉電時保存系統(tǒng)信息。由于TMS320F28027的I/O 口線有限，在撥碼開關電路的設計上使用SN74HC165D 將8位的并行信號轉換為串行信號，節(jié)約了I/O 口線。電流采樣電路使用HCPL7800組成隔離放大電路，將相電流通過電阻采樣后進行隔離放大之后送至DSP的AD輸入口。

2.1.2 逆變電路實現(xiàn)

逆變橋使用IPM 模塊PS21865-P 實現(xiàn)，將220V的交流電進行整流與大電容濾波之后得到直流電，作為IPM的輸入主電路電源加到PS21865-P的P、N 管腳之間，如圖3所示。

PS21865-P 內部集成6個大功率IGBT 及其驅動模塊，組成了一個三相全橋，DSP 產(chǎn)生的SVPWM 波形信號，經(jīng)驅動門進行信號電平轉換后加到光耦輸入端，使用HCPL0454組成信號隔離驅動電路。光電隔離后的信號送給IPM，控制其內部IGBT 開關驅動電機。U 相上橋驅動模塊配置電路如圖4所示。IPM的3 路上橋臂IGBT 驅動模塊的+15V 驅動電源需分別獨立且均與系統(tǒng)+15V 電源隔離。在設計中采用“二極管+電容”(如圖4中D1與C1)的形式，組成自舉電路，給3 路上橋IGBT 驅動模塊供電。

圖3 逆變橋輸入主電路

圖4 PS21865-P U 相上橋驅動模塊供電電路

2.2 軟件方案

系統(tǒng)軟件由主程序、PWM 中斷服務程序、XINT0 中斷服務程序，XINT1 中斷服務程序以及串口通信程序五部分組成。主程序完成通信與系統(tǒng)初始化功能，流程圖如圖5所示。PWM 中斷服務程序執(zhí)行電流環(huán)控制[6，8]，程序流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 PWM 中斷服務程序流程圖

XINT0 中斷服務程序負責通過步進信號和方向信號計算出主序脈沖序數(shù)。XINT1 中斷服務程序執(zhí)行掉電保護功能，在系統(tǒng)掉電異常時保存工作狀態(tài)。串口通信程序接受外部指令，實現(xiàn)外部控制和后期程序固件升級的功能。在上電時監(jiān)控串口，超時后關閉串口以防止程序運行過程中系統(tǒng)受到外部干擾。

2.3 控制方案實現(xiàn)

對電流環(huán)的控制采用PI控制器。在實際系統(tǒng)中為避免輸出過大造成過流，對于PI 運算的輸出再加一級輸出飽和環(huán)節(jié)，以限制輸出幅度。控制器結構圖如圖7所示。實驗表明，PI控制器完全能夠完成步進電機電流環(huán)的控制。

圖7 PI控制器結構圖

3 實驗結果與分析

本設計的實驗對象是一臺型號為FHB31115的三相混合式步進電機。本設計所完成的細分驅動器帶動電機運轉，轉子運行均勻平穩(wěn)，明顯降低了步進電機的低頻振蕩現(xiàn)象。相電流波形可以通過數(shù)字示波器檢測從采樣電阻上電壓波形得出，步進電機連續(xù)運行時相電流波形如圖8所示。

FHB31115 電機額定相電流6A，基本步距角1.20°，保持轉矩為12N·m，轉子慣量為9.72kg·cm2，空載起動頻率3kHz;最高空載運行頻率30kHz。系統(tǒng)運行時的PWM 信號輸出頻率20kHz，控制器參數(shù)Kp=1.0，Ti=0.04，飽和輸出范圍為[-0.95，0.95]。

從電流波形可以看出，混合式步進電機的相電流保持良好的正弦性，說明本系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能。同時可以通過串口可以對電機的運行參數(shù)進行上位機設置，通過上位機設置不同的控制參數(shù)實現(xiàn)不同的控制效果。

圖8 實際電流波形圖

4 結束語

本設計充分利用了Piccolo系列DSP 專門應用于電機控制等領域所在設置的實用性片內外設，實現(xiàn)三相混合式步進電機細分驅動系統(tǒng)。引入適量控制的思路使得實現(xiàn)脈沖細分時，實現(xiàn)了步距角的高精度細分，同時改善步進電機的啟動性能和減少低頻噪聲。繼續(xù)完善串口通信模塊設計，可以使得在工業(yè)現(xiàn)場中，可以通過串口，進行外部指令在線控制，實現(xiàn)多驅動器協(xié)調控制。

[1]李愛芹.基于DSP的三相混合式步進電機細分驅動系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學，2006.

[2]朱海民.基于DSP的三相混合式步進電機脈沖細分驅動系統(tǒng)[J].機電工程，2005，22(10):1-4.

[3]刁紅泉.基于DSP的三相混合式步進電機脈沖細分驅動系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學，2005.

[4]LI Zhongbo.Study on driving system of three-phase hybrid stepping motor[C].Dallas:Sixth In-ternational Conference on Electrical Machines and Systems，2003:608-610.

[5]仲科，顏鋼鋒.基于DSP的三相步進電機脈沖細分控制器設計[J].江南大學學報(自然科學版)，2007，6(2):189-192.

[6]王虹，楊建.基于TMS320F2812的步進電機SVPWM 細分驅動[J].電訊技術，2008，48(8):88-91.

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[8]Zhenyu Yu.Space-Vector PWM with TMs320c24x/F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns[R].Dallas:Texas Instruments，Digital Signal Processing Solutions，Application Report SPRA524，1999:1-44.