步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬文斌，楊延竹，洪 運(yùn)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬文斌，楊延竹，洪 運(yùn)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制方式，同時(shí)以光電編碼器反饋檢測信號(hào)以及專用大功率驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H的應(yīng)用不僅簡化了系統(tǒng)外圍硬件電路結(jié)構(gòu)，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，并根據(jù)工程實(shí)際中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并且提出了具體解決措施。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件方案設(shè)計(jì)及部分外圍電路進(jìn)行了簡要介紹，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)位移的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床中刀具進(jìn)給的快速跟蹤定位，對(duì)DSP在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用提供了借鑒。

步進(jìn)電機(jī)；閉環(huán)；反饋；DSP

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是將數(shù)字信息直接轉(zhuǎn)換為角位移的控制元件，因其控制簡便、起停迅速以及步進(jìn)精確等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等自動(dòng)化控制領(lǐng)域。尤其在數(shù)控設(shè)備的刀具快速定位系統(tǒng)中，因?qū)ξ恢煤退俣瓤刂朴兄^高要求，以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主處理芯片在系統(tǒng)穩(wěn)定性以及處理速度上制約著系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和快速性。通過采用DSP（Digital Signal Processor）芯片作為作為主控制芯片的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上采用東芝公司的 THB664H專用驅(qū)動(dòng)芯片，極大地簡化了外圍硬件電路，使得控制器和驅(qū)動(dòng)器一體化設(shè)計(jì)更為簡便。本文詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要硬件電路和軟件設(shè)計(jì)過程。

1 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 DSP簡介

DSP即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種專門用來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法的微處理器。文中選用TI公司的TMS320F2812作為主控制芯片，片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)模塊，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；快速的中斷處理能力和硬件I/O支持，保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力；片內(nèi)具有快速RAM同時(shí)采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以通過獨(dú)立的總線對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行并行訪問而且可同時(shí)完成獲取指令和數(shù)據(jù)讀取操作。與常用的16位單片機(jī)相比，DSP可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)算法處理，在實(shí)時(shí)性和靈活性上以及高速的數(shù)據(jù)處理能力上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本身也屬于數(shù)字器件，且位置和速度等組成的閉環(huán)反饋都可以通過廣電編碼器等傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，因此在步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)中選用DSP作為處理器。TMS320F2812通過串口接收上位機(jī)的位置指令，并通過接收與步進(jìn)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的光電編碼器發(fā)出的位置反饋脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)，DSP根據(jù)所計(jì)算出的差值信息，發(fā)送位置脈沖和方向脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。并通過液晶實(shí)時(shí)顯示出電機(jī)位置及速度等信息，通過整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備中刀具的快速精確跟蹤定位。文中DSP控制系統(tǒng)通過控制兩個(gè) 56BYG250C兩相步進(jìn)電機(jī)從而控制刀具在X、Y方向位移，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由DSP控制單元、電源模塊、串口通信電路、反饋檢測單元、功率驅(qū)動(dòng)模塊、復(fù)位電路等組成。以下詳細(xì)介紹了串口通信電路以及功率驅(qū)動(dòng)電路等控制電路的設(shè)計(jì)過程。

2.1 串口通信電路設(shè)計(jì)

串口通信模塊的SCI接口采用發(fā)送和接收雙線異步通信接口。系統(tǒng)DSP控制單元需要通過與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)的高低電平為±12 V，DSP的高低電平為0～3.3 V，故而需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用了常見的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，其輸出的電平經(jīng)過分壓電阻進(jìn)一步的壓降產(chǎn)生 3.3 V電壓后與 DSP管腳直接連接。串口通信模塊電路如圖2所示。

圖2 串口通信模塊電路圖

2.2 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

THB664H是一款專業(yè)的PWM斬波兩相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。內(nèi)部高度集成了衰減模式設(shè)置、細(xì)分、CMOS功率放大等電路。配以簡單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路。通過4位8檔細(xì)分控制(1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64)，內(nèi)置過熱欠壓保護(hù)和電流檢測。功率驅(qū)動(dòng)部分電路圖見圖3。

為提高控制系統(tǒng)的可靠性，避免因負(fù)載變化而產(chǎn)生過電流損壞控制芯片及驅(qū)動(dòng)芯片，故采用了HCPL2530高速光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離，不僅完成了控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)了各器件間的有效隔離，同時(shí)也對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整形，提高了系統(tǒng)的整體控制精度。硬件電路設(shè)計(jì)中光耦隔離模塊兩側(cè)電路電源必須分別采用獨(dú)立的供電電源。

圖3 功率驅(qū)動(dòng)部分電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)的位置檢測

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收一個(gè)脈沖信號(hào)就按預(yù)定方向驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度。DSP2812中事件管理模塊的定時(shí)器和比較單元可用來產(chǎn)生兩路電機(jī)所需的位置信號(hào)脈沖。

當(dāng)DSP事件管理器EV的捕獲單元QEP模塊被使能，與步進(jìn)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的光電編碼器產(chǎn)生的相差四分之一周期的正交脈沖序列被作為事件管理器中計(jì)數(shù)寄存器的時(shí)鐘源，從而獲得光電編碼器反饋的脈沖個(gè)數(shù)。事件管理器的計(jì)數(shù)器寄存器會(huì)在正交脈沖的每個(gè)跳變沿按照脈沖捕獲的先后順序進(jìn)行定向的計(jì)數(shù)增減，進(jìn)而確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)過角度。電機(jī)相對(duì)于初始位置的角度為：

n為計(jì)數(shù)寄存器的當(dāng)前值，n1為計(jì)數(shù)寄存器的初始值，L為光電編碼器線數(shù)。

3.2 控制系統(tǒng)主程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始運(yùn)行后首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，然后對(duì)初始位置和預(yù)定位置進(jìn)行差值比較，根據(jù)位置差值判斷步進(jìn)電機(jī)下一時(shí)刻轉(zhuǎn)向，并通過改變I/O口電平的高低控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的脈沖n計(jì)算公式為：

式中，Δ為初始位置與預(yù)定的差值，r為步進(jìn)電機(jī)的步距角。

DSP控制器通過改變事件管理器中周期寄存器和比較寄存器的值，進(jìn)而調(diào)整PWM波的頻率和寬度，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)連續(xù)平穩(wěn)的發(fā)送。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)中的一些問題

4.1 A/D采樣中的濾波

系統(tǒng)對(duì)電流控制的準(zhǔn)確性和精度決定了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，對(duì)電流的閉環(huán)控制需要進(jìn)行A/D采樣來完成，但是控制系統(tǒng)在實(shí)際工作中的干擾是不可避免的，因此在電流的A/D采樣電路中必須要采用相應(yīng)的濾波措施來減小干擾。例如在電流的硬件部分采用二階低通濾波，在軟件設(shè)計(jì)中也需要采用滑動(dòng)平均值濾波方式等相應(yīng)的濾波措施來進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能。

4.2 運(yùn)算中溢出問題的解決以及計(jì)算精度的提高

在程序計(jì)算過程中需要考慮運(yùn)算溢出的問題。在計(jì)算電機(jī)角位移θ時(shí)，程序給直角進(jìn)行格式標(biāo)定，在捕獲單元中斷子程序中，每一次步距角累加后都需要將角位移θ的值和7FFFH相與以避免溢出?；谟?jì)算精度的考慮，在程序中采用了32位乘法和加法運(yùn)算。采用DSP2812中的 16×16的硬件乘法器，需要用兩個(gè) 16位數(shù)來保存其乘法計(jì)算的結(jié)果，加法運(yùn)算中為了和乘法運(yùn)算結(jié)果匹配也需要用32位，計(jì)算結(jié)束后將從32位計(jì)算結(jié)果中選取合適的16位作為輸出。

5 結(jié)論

在分析了步進(jìn)電機(jī)工作原理和主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以 TMS320F2812作為主控芯片的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件電路和運(yùn)行軟件，實(shí)現(xiàn)了控制與驅(qū)動(dòng)的一體化，相比較開環(huán)控制系統(tǒng)中的失步現(xiàn)象得以有效控制；光電編碼器的檢測反饋電路以及SCI串口通信電路等實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置的精確閉環(huán)控制。結(jié)果表明，所建立的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)有效提高了刀具定位精度，滿足快速響應(yīng)要求。

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Design and application of the stepper motor control system

Ma Wenbin，Yang Yanzhu，Hong Yun
（College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Abatract：Stepping motor control system based on DSP adopts the closed-loop control method,at the same time with the photoelectric encoder feedback signal,and the application of special high power drive chip THB664H peripheral hardware circuit not only simplifies the system structure,and enhance the system reliability and anti-interference ability,and according to the actual engineering problems arising from the analysis and the concrete solving measures are put forward.Part of the software and hardware design and the system has carried on the brief introduction of the peripheral circuit,based on the real-time control of stepping motor displacement implements in CNC machine tool feed tracking quickly and to DSP in the control system of the stepper motor to provide reference for further development and application.

stepper motor；closed loop；feedback；DSP

TP271

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.003

馬文斌，楊延竹，洪運(yùn).步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：11-13.

英文引用格式：Ma Wenbin，Yang Yanzhu，Hong Yun.Design and application of the stepper motor control system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：11-13.

2015-09-09)

馬文斌（1988-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化，E-mail：mwb2607@163.com。

楊延竹（1976-），男，博士，副研究員，主要研究方向：圖像處理。

洪運(yùn)（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理。