基于DSP的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

王棟　張?zhí)K新

摘 要：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已有70年的發(fā)展歷史，在開環(huán)高分辨率的定位控制占有主導(dǎo)地位，其最大優(yōu)勢是無累積誤差，因此用在速度、位置等控制領(lǐng)域變得簡單和經(jīng)濟(jì)。由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)集成了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛，文章主要針對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。首先對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在國外和我國的歷史發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了分析，接著闡述了兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，主控器選用TI公司的TMS320LF2407A型號(hào)DSP，配以由L298和L297組成的雙極性恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路，電源模塊選用TPSS7333QD芯片，選用ROD426脈沖編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，還包括電流采用電路、LCD顯示和DSP仿真器等，最終完成了該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；TMS320LF2407A；硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）18-0011-02

1 背景概述

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雛形源于1830～1860年間，其原理是基于電磁鐵的作用，其后主要應(yīng)用于氬弧等的電極輸送機(jī)構(gòu)控制中，而最早發(fā)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的是英國人。1960年，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)相繼出現(xiàn)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如晶體管應(yīng)用，使得通過數(shù)字化對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制變得更為容易。

隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是應(yīng)用于高定位精度、高響應(yīng)性和依賴性等靈活控制的機(jī)電系統(tǒng)中，其已經(jīng)可以與直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相提并論，屬于第三類電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移信號(hào)，可以簡單定義為每次輸入一個(gè)電脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，不輸入則不旋轉(zhuǎn)。從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)可以看作是無刷直流電機(jī)，同樣也可看作一定頻率范圍內(nèi)的同步電機(jī)。我國步進(jìn)的起步階段始于20世紀(jì)50年代后期，當(dāng)時(shí)主要是一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)研究開發(fā)一些裝置，以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。70年代后期，隨著微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)有了長足的進(jìn)步。到80年代中期，通過大量的實(shí)驗(yàn)室研究，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精確度得到提高，因此各種混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在正在沿著小型化、改圓形電機(jī)為方形電機(jī)、對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類有很多種，按照轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作方式可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式；按照輸出扭矩可以分為快速步進(jìn)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按照勵(lì)磁組數(shù)可以分為兩相、三相和四相等；按照電流級(jí)數(shù)可以分為單極性和雙極性；按運(yùn)動(dòng)方式，可以分為旋轉(zhuǎn)、直線和平面。

本文選用的是混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，運(yùn)用TI公司的TMS320

LF2407芯片作為核心控制器，驅(qū)動(dòng)電路采用L298雙H橋驅(qū)動(dòng)器和L293步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒流斬波驅(qū)動(dòng)器，電源模塊采用TPS7333QD芯片，采用JTAG和XDS510EPP仿真器接口進(jìn)行程序下載和在線監(jiān)視。最終完成了硬件電路的設(shè)計(jì)。

2 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，是在反應(yīng)式和永磁式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，其輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，細(xì)密的極齒可以減小步距角，效率高，功耗小。市場上應(yīng)用最多的是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，市場占有率達(dá)到97%，其步距角為1.8 ？觷，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后可以細(xì)分256倍。其結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上有八個(gè)繞有線圈的鐵芯磁極，八個(gè)線圈串接成A、B兩相繞組，每個(gè)定子磁極邊緣有多個(gè)小齒，一般多為五或六齒。轉(zhuǎn)子主要環(huán)形磁鋼、兩端鐵芯、軸和軸承組成，兩端鐵芯的外圓上有均勻分布的齒槽，齒槽相差1/2齒距。環(huán)形磁鋼沿軸向充磁，兩端轉(zhuǎn)子鐵芯兩端分別成N、S極，稱為N段轉(zhuǎn)子和S段轉(zhuǎn)子。

2.2 工作原理

混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過氣隙中兩種磁動(dòng)勢的共同作用，永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢和繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢。定子上有四個(gè)線圈的磁極，相對(duì)磁極的線圈串聯(lián)，組成兩相繞組，由于同一相繞組兩個(gè)線圈繞組的方向相反，通過同一電流時(shí)產(chǎn)生的磁場方向也相反，這樣導(dǎo)致電流反向流過繞組所產(chǎn)生的磁場也相反。當(dāng)繞組不通電時(shí)，氣隙中只有永磁體產(chǎn)生的電動(dòng)勢，其方向?yàn)檩S向，此時(shí)電動(dòng)機(jī)無電磁轉(zhuǎn)矩，其電動(dòng)勢磁通會(huì)沿磁阻最小的路徑通過，即從N極返回到S極，同時(shí)當(dāng)外力促使軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁場的吸引作用，會(huì)有一個(gè)反向的阻轉(zhuǎn)矩，稱為自鎖力矩。當(dāng)繞組通電時(shí)，繞組電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢就會(huì)與原電動(dòng)勢相互作用，使得電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通電方式有單拍和雙拍運(yùn)行方式。

3 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件主要由TMS320LF2407A核心控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及其步進(jìn)電機(jī)、光電編碼器、電流和轉(zhuǎn)速反饋電路、LCD顯示、電源模塊和DSP仿真器組成。其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，TMS320LF2407A控制器是由美國TI公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)型DSP，專門用于數(shù)字電動(dòng)機(jī)的控制，其引腳共有144個(gè)，主要由內(nèi)核CPU、存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)三個(gè)功能模塊。CPU包括定標(biāo)移位器、乘法器、累加器、運(yùn)算邏輯單元；片內(nèi)存儲(chǔ)器主要包括2.5 kbit/s的RAM和32 kbit/s的EEPROM。片內(nèi)外設(shè)主要包括事件管理器A和B、數(shù)字I/O、10位的A/D模塊、CAN總線、SCI、SPI串行模塊等。DSP的外圍電路設(shè)計(jì)主要包括：PLL濾波器輸入電路、外部晶振電路、A/D模塊基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、工作電壓指示電路和各種跳線電路等。

驅(qū)動(dòng)電路采用L298和L297組成的雙極性恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路。L298雙H橋驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部由兩組完全相同的全橋電路組成，每個(gè)全橋電路由4個(gè)MOSFET組成，最大開關(guān)頻率可以達(dá)到40 kHz，能夠驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載，可承受的最大電壓、電流為46 V和2.5 A。L297步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒流斬波驅(qū)動(dòng)器是由ST公司生產(chǎn)的，主要應(yīng)用于雙極性兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括用于脈沖分配的譯碼器、用于檢測電流采樣值和參考電壓值的斬波器、用于綜合譯碼器與斬波器的輸出邏輯電路組成。

本系統(tǒng)存在數(shù)字電路和模擬電路，為了保持較好的隔離，同時(shí)保證A/D轉(zhuǎn)換精度及其抗干擾能力，本文選用芯片TPSS7333QD作為DSP和外擴(kuò)RAM的電源，該芯片能夠提供穩(wěn)定的3.3 V和5 V電壓。由于在電路中存在+5 V和VCC兩種不同的數(shù)字電源，需要將TTL電平轉(zhuǎn)化為CMOS電平，本文選用飛利浦半導(dǎo)體公司的電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245A，保證了電平之間的邏輯一致。

接口電路主要實(shí)現(xiàn)程序下載和通信功能。本文選用XDS5

10EPP仿真器通過引線與JTAG接口的8個(gè)引腳連接，用于DSP的編程下載及其實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；選用MAX232A多通道RS-232收發(fā)器中來實(shí)現(xiàn)DSP與上位計(jì)算機(jī)的串行通信，將DSP的SCIRXD和CSITXD連接到MAX232A的兩個(gè)引腳，另外一端連接上位機(jī)。

電動(dòng)機(jī)的相電流通過反饋電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸入到DSP的ADC模塊的第0和第1通道，采樣電阻選用0.5 Ω/2 W，中間連接TL084運(yùn)算放大器。轉(zhuǎn)速檢測選用海登海因公司的ROD426脈沖編碼器，其兩路方波信號(hào)進(jìn)入CHAN11、CHAN12，送到DSP的捕捉模塊，計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

4 結(jié) 語

本文首先簡要概括了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的歷史背景和發(fā)展趨勢，相比其他發(fā)達(dá)國家，我國步進(jìn)電機(jī)發(fā)展較晚?，F(xiàn)在混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為廣泛，因此控制好該電機(jī)對(duì)于位置和速度控制具有重要的意義。本文在混合步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和基本原理的基礎(chǔ)上對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)。選用TI公司的TMS320LF2407A型號(hào)DSP為核心控制單元，驅(qū)動(dòng)電路選用由 L298和L297組成的雙極性恒流斬波電路，同時(shí)還對(duì)電源模塊電路，轉(zhuǎn)速和電流反饋電路LCD顯示電路和DSP仿真器電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終完成了該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 豈興明.PLC步進(jìn)伺服快速入門與實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2] 史敬灼，王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展[J].微特電機(jī)2007，（7）.

[3] 史敬灼，徐殿國，王宗培.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，（21）.

[4] 謝輝，唐勇.步進(jìn)電機(jī)發(fā)展回顧與前景展望[J].重慶三峽學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（3）.