一種基于步進(jìn)電機(jī)的振蕩器控制設(shè)計

滕　莉，李　英，阮德林，龐曉東（公安部第一研究所，北京 102200）

一種基于步進(jìn)電機(jī)的振蕩器控制設(shè)計

滕莉，李英，阮德林，龐曉東
（公安部第一研究所，北京 102200）

設(shè)計了一種用于振蕩器的驅(qū)動控制方案。簡要說明了關(guān)鍵器件選型；介紹了以CAN總線作為通信方式的控制電路總體設(shè)計；詳細(xì)闡述了電機(jī)驅(qū)動設(shè)計；分析了步進(jìn)電機(jī)使用時需要關(guān)注的主要問題并提出了相應(yīng)的解決方法；針對步進(jìn)電機(jī)升降速控制，給出了適合本系統(tǒng)的控制算法。實(shí)驗證明，本套驅(qū)動控制方案能夠合理地實(shí)現(xiàn)所選步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動功能，振蕩器能夠?qū)⑼斜P內(nèi)的液體樣品充分混勻。

步進(jìn)電機(jī)；DSP；升降速控制；細(xì)分驅(qū)動

0　引言

本文所述振蕩器是一種培養(yǎng)制備生物樣品的生化儀器，是植物、生物、微生物、生物制品、遺傳、病毒、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等科研、教育和生產(chǎn)部門不可缺少的實(shí)驗設(shè)備。振蕩器內(nèi)設(shè)置偏心輪結(jié)構(gòu)，采用電機(jī)輸出軸與偏心輪固聯(lián)的形式，在電機(jī)的驅(qū)動下，帶動托盤產(chǎn)生水平面圓周震動，達(dá)到將托盤內(nèi)的液態(tài)樣品混勻的目的。步進(jìn)電機(jī)具有精度高、慣性小、能實(shí)現(xiàn)高精度快速開環(huán)控制、只有周期性的誤差而無累積誤差的特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域使用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常簡單，故采用步進(jìn)電機(jī)作為振蕩器的驅(qū)動裝置。在實(shí)際應(yīng)用過程中，步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵問題是：升降速時，若脈沖頻率變化不合理，會產(chǎn)生較大的噪聲，電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，還可能造成失步或者過沖，系統(tǒng)無法做到精確定位［1］；從系統(tǒng)響應(yīng)速度的角度，電機(jī)亦要滿足升降速的應(yīng)用需求，即在要求時間內(nèi)完成加減速過程［2］；確定合理的啟動速度。經(jīng)過對本文選用的電機(jī)性能與應(yīng)用需求綜合分析后，確定了一種適合本系統(tǒng)的加減速實(shí)施方案，并通過實(shí)驗驗證了方案的可行性。在控制方面，DSP較單片機(jī)集成了更為豐富的資源，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，并以其高性能及日趨低價位的特點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于信息處理、控制系統(tǒng)中［3］，本系統(tǒng)即采用DSP實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確控制。使用時可以根據(jù)需要設(shè)定振蕩器振蕩速度、時間、方向等，同時DSP帶有自檢功能，在初始化時便可檢測步進(jìn)電機(jī)、光電傳感器是否正常，為故障診斷提供了依據(jù)。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1核心部件選型

步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動裝置是核心部件，選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需功率，電機(jī)的矩頻特性能滿足電機(jī)負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。此外，實(shí)際還要考慮位置控制精度、使用速度范圍、負(fù)載傳動方式、噪音與振動等因素。本文所述振蕩器其負(fù)載為重97 g的托盤，振蕩速度范圍為300 rpm～1 000 rpm，結(jié)合以上因素采用一種雙輸出軸的兩相HB型步進(jìn)電機(jī)42BYGHM47-1684B，其最大靜力矩可達(dá) 0.044 kg·m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 6.8×10-6kg·cm2，步距角為 1.8°，能夠滿足振蕩器的驅(qū)動要求。

控制電機(jī)的微處理器也是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。TMS320F2812 DSP是TI公司推出的32位定點(diǎn)電機(jī)專用控制芯片，提供兩個事件管理器EVA和EVB模塊，可極為方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字化控制，工作頻率可達(dá)150 MHz［4］，其哈佛總線結(jié)構(gòu)和指令流水線技術(shù)能在一個周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，保證了信號處理的快速性和實(shí)時性，因此本系統(tǒng)選用該型號DSP作為主控芯片。

1.2控制電路總體設(shè)計

系統(tǒng)控制對象包括步進(jìn)電機(jī)、定位光電開關(guān)和夾鉗開關(guān)，系統(tǒng)控制所需完成的功能是：實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，包括升降速過程和勻速運(yùn)轉(zhuǎn)；采集光電開關(guān)信號，作為原點(diǎn)定位；控制夾鉗開關(guān)，緊固托盤，確保在高速振蕩時無相對滑動；通過CAN總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與振蕩器之間的通信。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制設(shè)計如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)控制設(shè)計框圖

由于本系統(tǒng)可作為生物樣本制備平臺中的一個功能模塊，故采用CAN總線通信方式，方便實(shí)現(xiàn)多個功能模塊之間的串行通信。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN總線控制器，兼容CAN2.0總線標(biāo)準(zhǔn)，只需增加CAN總線收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)與總線的物理連接。本方案選用了CTM1051AT隔離收發(fā)器，該芯片特別適合＋3.3 V系統(tǒng)的CAN控制器，在以往的設(shè)計方案中需要光耦、DC-DC電源隔離、收發(fā)器等元器件才能實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，而一片 CTM1051AT接口芯片就可以實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，為了保持與外圍電路的電平一致，設(shè)計外部I/O擴(kuò)展電路，采用74LVTH16244電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行3.3 V與5 V之間的電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光電開關(guān)信號和電機(jī)驅(qū)動等信號于DSP I/O口的輸入輸出。

1.3電機(jī)驅(qū)動設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片選用TB6560HQ，該芯片是東芝公司推出的兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，具有脈沖輸入、方向控制、細(xì)分控制、使能控制、復(fù)位等豐富的控制功能和高達(dá) 3.5 A的相電流驅(qū)動能力［5］，完全滿足步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動要求，而且?guī)в休敵霰O(jiān)控功能和過熱保護(hù)電路。由TB6560HQ構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖 2所示。引腳ENABLE使能電機(jī)驅(qū)動芯片；CW/CCW控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；M1與 M2設(shè)置電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)；RESET復(fù)位芯片；OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM接步進(jìn)電機(jī)兩相繞組的自由端直接驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；PROTECT是過熱保護(hù)輸出，該信號與DSP輸出的PWM信號相與后輸入CLK引腳來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，一旦電流過大引起芯片過熱，此輸出引腳由高電平變?yōu)榈碗娖奖憧芍袛嚯姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。DSP的事件管理器EVB模塊設(shè)置為通用I/O口（GPIO1～GPIO7）輸出以上控制信號，EVA模塊的通用定時器1比較操作輸出PWM波驅(qū)動電機(jī)。

圖2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

對于本系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)使用時面對的各種問題中，振動噪聲是首要解決的問題。由驅(qū)動電路引起的步進(jìn)電機(jī)的振動噪聲一般是由定子電流的高次諧波含量、相電流的不平衡或者是電源的波動引起的，其中高次諧波為主要原因。步進(jìn)電機(jī)使用方波電流驅(qū)動，必然含有大量的高次諧波，由此產(chǎn)生振動和噪聲。因此驅(qū)動電流最好為正弦波。接近正弦波的驅(qū)動方法有步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)在 1/4細(xì)分、半步、整步驅(qū)動時，其振動是依次增加的［6］。本驅(qū)動控制設(shè)計中，通過數(shù)字輸入輸出端口 GPIOB來傳輸電機(jī)驅(qū)動信號，通過設(shè)置GPIO4、GPIO5（細(xì)分驅(qū)動輸出）的高低電平狀態(tài)即可控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。經(jīng)過比較1/4細(xì)分與1/8細(xì)分驅(qū)動電機(jī)后，決定采用1/8細(xì)分。采用高細(xì)分不僅對于減噪有效，而且在微處理器輸出頻率足夠高的情況下，合理使用高細(xì)分，有利于電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，能提高控制精度。

此外，確定合理的啟動頻率也是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的一個關(guān)鍵。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)——空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于空載啟動頻率，電機(jī)則不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻，電機(jī)轉(zhuǎn)速由低速升到高速。根據(jù)所用電機(jī)的矩頻特性曲線及以往經(jīng)驗，通過反復(fù)實(shí)驗探索到適合本套系統(tǒng)的最佳啟動速度為＜250 rpm。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1步進(jìn)電機(jī)升降速控制算法

電機(jī)由啟動速度加速到目標(biāo)速度的過程中，若每步運(yùn)行的速度差距過大，會使電機(jī)輸出力矩不足，無法正常運(yùn)行；加減速過程過短，則需要更多的運(yùn)行時間來使其穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)對系統(tǒng)的要求并結(jié)合系統(tǒng)性能，設(shè)計出一套可行的步進(jìn)電機(jī)升降速方案，一直是電機(jī)控制設(shè)計中的難點(diǎn)。

目前，步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線多采用4種，分別是階梯加減速曲線、直線加減速曲線、指數(shù)加減速曲線和S形加減速曲線。這些加減速曲線各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用場合也不盡相同。本文采用將線性加減速過程離散后，用階梯曲線來逼近線性加減速曲線的控制方法。線性加減速曲線如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)以頻率f0啟動后，以加速度a加速，至t1時刻后達(dá)到最高運(yùn)行頻率fh，然后勻速運(yùn)行，至t2時刻以加速度-a減速，在 t3時刻電機(jī)停轉(zhuǎn)。其中，在加速階段，頻率與時間的關(guān)系為：

其中，f是瞬時頻率，f0是啟動頻率，a是加速度，t是加速時間。采用離散法將加減速曲線離散化，如圖4所示。得到的加速階梯曲線速度是分擋上升的，而且每升一擋都在該擋保持一段時間，以當(dāng)前的速度運(yùn)動若干個脈沖后再升一擋，這種方法克服了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量所引起的速度滯后，使得局部速度誤差得到自動糾正。當(dāng)最高運(yùn)行頻率為 fh時，由式（1）可得加速時間為：

將加速段均勻地離散為n段，可知相鄰兩次速度變化的時間間隔為：

圖3　步進(jìn)電機(jī)線性加減速曲線

圖4　步進(jìn)電機(jī)升速曲線

本方案中，采用微處理器具有的事件管理器來輸出脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，加減速實(shí)際上是靠不斷改變通用定時器的周期寄存器T1PR裝載值的大小，也就是改變輸出脈沖的時間間隔來實(shí)現(xiàn)的。定時器1提供基準(zhǔn)時鐘，采用連續(xù)增減計數(shù)模式，其時鐘源取自外部輸入信號TCLKIN（30MHz晶振），經(jīng)預(yù)定標(biāo)后外設(shè)時鐘頻率為15MHz。電機(jī)轉(zhuǎn)速計算公式為：

其中，V為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/s），P為脈沖頻率（Hz），θe為電機(jī)固有步距角（1.8°），m為細(xì)分?jǐn)?shù)（8細(xì)分）。V與f之間的關(guān)系為：

控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因素周期寄存器T1PR裝載值與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

根據(jù)應(yīng)用速度范圍300 rpm～1 000 rpm，升降速時間要求為不大于 2 s，若電機(jī)以 200 rpm啟動，由式（7）得f0為 667步/s，運(yùn)行至最高速度 1 000 rpm，即fh為3 333 步/s，由式（2）、式（3）和式（4）可得每上升一個階梯增速△f為27步/s，故全過程分為100擋，即每 0.02 s增速一擋，再由式（8）得到每擋的周期寄存器 T1PR裝載值。本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動加速過程如圖5所示。減速過程方法同加速過程。

圖5　電機(jī)加速流程

2.2功能實(shí)現(xiàn)及故障診斷

本系統(tǒng)通過軟件實(shí)現(xiàn)了振蕩器的初始化、振蕩暫停與繼續(xù)，以及設(shè)置振蕩時間、方向、速度等功能。程序運(yùn)行流程為：在上電后首先執(zhí)行初始化操作，以檢測步進(jìn)電機(jī)、光電開關(guān)和夾鉗開關(guān)功能是否正常，之后再設(shè)定參數(shù)執(zhí)行振蕩操作，其中若有部件故障則通過CAN總線向上報錯。

3　實(shí)驗結(jié)果

經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器有效地將樣品混勻功能，并證明了本系統(tǒng)的加減速實(shí)施方案可行，圖6是步進(jìn)電機(jī)加速、勻速及減速過程的驅(qū)動脈沖。電機(jī)減速后制動是通過檢測光電傳感器電平實(shí)現(xiàn)的，圖6中下方的波形是減速－制動階段的放大效果，當(dāng)接收到傳感器的高電平信號后電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證每次停留在相同的位置。

圖6　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖

4　結(jié)論

經(jīng)過對系統(tǒng)應(yīng)用要求和受控對象的分析，合理選用驅(qū)動部件及主控制器，通過實(shí)驗證明，基于CAN總線的系統(tǒng)控制電路實(shí)現(xiàn)了對振蕩器的多種功能控制；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分的設(shè)計有效控制了噪聲，并實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，保證了托盤內(nèi)的液體樣品充分混勻；此外，電機(jī)加減速驅(qū)動控制采用將線性加減速過程離散的控制方案，實(shí)際操作驗證了此方案的可行性，電機(jī)能夠在系統(tǒng)要求時間內(nèi)平穩(wěn)地完成加減速過程。

［1］邵現(xiàn)京，董金才，趙龍章，等.基于新型加減速曲線的多步進(jìn)電機(jī)控制的研究［J］.自動化與儀表，2013（4）：53-56.

［2］胡家文，馬文禮，黃金龍.步進(jìn)電機(jī)高速起?？刂频?DSP實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（3）：22-24.

［3］田紅芳，李穎宏，王歡.基于 DSP實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計［J］.微計算機(jī)信息，2007，23（1-2）：223-224.

［4］蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，等.TMS320X281x DSP原理及 C程序開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］王黨利，寧生科，馬寶吉.基于 TB6560的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（1）：41-43.

［6］坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.王自強(qiáng)，譯.北京：科學(xué)出版社，2010.

A control design for the oscillator based on stepper motor

Teng Li，Li Ying，Ruan Delin，Pang Xiaodong
（The First Research Institute of the Ministry of Public Security，Beijing 102200，China）

A driving control scheme for the oscillator is designed in this paper.The selection of key devices is described briefly.This paper introduces the overall design of the control circuit，elaborates the motor driving method in detail，analyses the main concerns in using and proposes the appropriate solutions.In addition，the paper introduces the control algorithm suitable for this system for the motor acceleration and deceleration control.The Experiment result verifies that this driving control method can implement the driving function of the selected stepper motor，and the oscillator can mix the liquid samples thoroughly.

stepper motor；DSP；acceleration and deceleration control；subdivided driving

TM383

A

1674-7720（2015）08-0087-04

2014-12-25）

滕莉（1981-），通信作者，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：測控技術(shù)。E-mail：tengli56@aliyun.com。

李英（1977-），男，碩士研究生，副研究員，主要研究方向：嵌入式硬件開發(fā)。

阮德林（1980-），男，碩士研究生，副研究員，主要研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計。