基于DSP兩相混合式步進電機控制驅(qū)動器研究與設(shè)計

楊元凱

（佛山職業(yè)技術(shù)學院 廣東佛山528137）

基于DSP兩相混合式步進電機控制驅(qū)動器研究與設(shè)計

楊元凱

（佛山職業(yè)技術(shù)學院 廣東佛山528137）

基于提高兩相混合式步進電機的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性的目的，本文結(jié)合轉(zhuǎn)矩矢量控制策略，提出基于DSP的步進電機驅(qū)動器設(shè)計方案。通過采用最大電流/轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子磁場定向失量控制，完成對兩相混合式步進電機的控制。硬件采用TMS320FS2812為電機控制器，設(shè)計了電流采樣電路、電機功率驅(qū)動電路及相關(guān)的輔助電路。在逆變電路中采用SVPWM調(diào)制策略，提高電機控制性能。并對驅(qū)動器的輸出進行測試實驗，得出對電機的控制越是細分，電機的控制性能越好。

DSP；失量控制；步進電機；驅(qū)動器

在步進電機中混合式和磁阻式應(yīng)用比較廣泛，其中混合式步進電機在轉(zhuǎn)子永磁體及變磁阻原理共同作用下運轉(zhuǎn)，整體性能優(yōu)于混合式步進電機，但也由于電機自身結(jié)構(gòu)的原因使得在實際應(yīng)用中存在一些問題，如當步進電機達到額定轉(zhuǎn)速的時候，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會隨轉(zhuǎn)速增高而下降，限制了電機的應(yīng)用范圍[1-4]，另外，混合式步進電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有采取與永磁電機相類似的削弱諧波的措施，因此會造成電機氣隙磁場產(chǎn)生較大的空間諧波，再加上電機電磁系統(tǒng)的不穩(wěn)定及不對稱特特點，會使得電機在運行中產(chǎn)生震蕩和噪聲。當電機高速運行時，所需的電流將逐漸增大，一旦驅(qū)動器不能滿足所需電流時，將不再受指令的控制，同時步進電機結(jié)構(gòu)及運行的特殊性使得不能直接使用AC或DC電源驅(qū)動[5-8]。電機運行的性能指標完全取決于配套的驅(qū)動器，因此研究先進的電機控制策略，設(shè)計高性能的驅(qū)動器對于提高混合式步進電機的性能具有重要意義。

1 兩相混合式步進電機的失量控制原理

1.1 混合式步進電機矢量控制原理

矢量控制是一種利用磁場定向控制改善交流電動機調(diào)速方法的控制理論[9-11]。該方法的控制思想是:通過變換電動機數(shù)學模型坐標，對比直流電動機模型的控制方法，將交流電動機磁通量分解為磁場分量與轉(zhuǎn)矩分量，使二者完全解耦，進而根據(jù)分解后的轉(zhuǎn)矩分量，控制交流電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩通常由電磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩復(fù)合而成，故該類型電動機周圍磁場環(huán)境復(fù)雜，為了更好的分析混合式步進電機的矢量控制方法，需要完成靜止（α-β）坐標系與旋轉(zhuǎn)（d-q）坐標系的定義及對應(yīng)的坐標變換方法。

混合式步進電機的靜止坐標系α-β坐標系可選擇定子A、B兩相繞組上，這是由于混合式步進電機定子兩端具有的固定錯齒結(jié)構(gòu)，由A、B兩相繞組旋轉(zhuǎn)形成的磁場存在90度的電角度差，滿足靜止坐標系的選擇條件[12-13]。

旋轉(zhuǎn)坐標系d-q坐標系的選取決定了電機轉(zhuǎn)子的磁場方向。混合式步進電機的旋轉(zhuǎn)坐標系選取有別于普通凸極同步電動機，其中普通凸極同步電動機磁場的變化周期為兩個磁距，通常情況下，選擇轉(zhuǎn)子磁極軸線作為旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸，選擇相鄰磁極中心線作為q軸，即q軸沿旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90電角度，如圖1（a）所示?；旌鲜讲竭M電機選擇轉(zhuǎn)子齒中心線作為旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸，選擇沿旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90電角度的位置作為q軸。如圖1（b）所示。

圖1 兩種電機旋轉(zhuǎn)磁極坐標系（d-q）選擇方法

1.2 失量控制的實現(xiàn)

結(jié)合混合式步進電機的運行及失量控制的原理，設(shè)計混合式步進電機的失量控制的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，在d-q坐標系下，根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩/電流關(guān)系及設(shè)定的轉(zhuǎn)矩就可以得出電流的給定值idref、iqref。步進電機的線圈電流ia、ib經(jīng)過失量反變換環(huán)節(jié)可以轉(zhuǎn)換成d-q坐標系下的電流實際值id、iq，將id、iq同idref、iqref比較后作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，將其兩者的差值通過電流調(diào)節(jié)器運算得d-q坐標下的控制量ids、iqs，再經(jīng)過電流失量變換得到a-b坐標系下的電流ias、ibs?？刂屏縤as、ibs通過兩相電壓失量PWM控制環(huán)節(jié)得到兩路的PWM波，將這兩路的PWM波形輸出給主電路實現(xiàn)步進電機的調(diào)節(jié)控制。

圖2 兩種電機旋轉(zhuǎn)磁極坐標系（d-q）選擇方法

2 基于DSP的步進電機驅(qū)動器設(shè)計

2.1 兩相電壓SVPWM輸出控制

混合式步進電機驅(qū)動器是將電壓指令的信號轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM信號，用以控制驅(qū)動器主電路的開關(guān)管的動作，使電機線圈中的電流指令跟隨給定電流的變化[14-16]。應(yīng)用比較廣泛的脈寬調(diào)制方法為SPWM，該控制方式主要以逆變器輸出的電壓盡量接近正弦波，盡量減小諧波分量，擴大基波分量。由于混合式步進電機需要將輸入的電流轉(zhuǎn)換為空間圓形的磁場，用以形成恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，因此在設(shè)計將逆變器和混合式電機視為一體，按照旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓，該方式為SVPWM。使用SVPWM控制方式，可以通過驅(qū)動信號的邏輯組合實現(xiàn)兩相繞組電壓SVPWM工作狀態(tài)的控制，最終可以決定步進電機繞組的通電方式。

此次兩相電壓SVPWM逆變器的工作狀態(tài)，用“1”代表導(dǎo)通，用“0”代表驅(qū)動信號斷開。工作狀態(tài)表如表1所示。

表1 逆變器工作狀態(tài)表

建立了4個基本電壓空間矢量，如圖3所示，互差90度電角度，模為2U，工作原理為利用兩個相鄰的基本電壓失量的組合來逼近任意給定的電壓空間矢量。

圖3 基本電壓空間矢量分布

2.2 基于DSP驅(qū)動器電路設(shè)計

驅(qū)動器與電機的性能緊密相關(guān)，從硬件結(jié)構(gòu)上來看，硬件部分主要由電機控制器、功率驅(qū)動電路及輔助電路等組成，本次設(shè)計中控制芯片采用32位的定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812，以下以F2812代替該芯片可產(chǎn)生電機控制所需的PWM信號，擴展功能強，非常適合電機控制領(lǐng)域。

1）電源電路設(shè)計

系統(tǒng)采用雙電源供電，控制器核心采用1.8 V電源，片內(nèi)AD、IO模塊采用3.3 V上設(shè)計中芯片采用TPS767D301PWP，該芯片能提供嚴格的上電時序，滿足F2812對上電時序的要求。采用數(shù)字模擬地分離式的設(shè)計，通過電壓轉(zhuǎn)換將5 V的供電電壓轉(zhuǎn)化為3.8 V和1.8 V，同時設(shè)計了過電流的保險，保證核心電路的供電安全。設(shè)計電路如圖6所示。

圖4 電源電路圖

2）電流采樣電路設(shè)計

電流采樣方法中應(yīng)用一般采用電阻法、電流互感器法及霍爾電流傳感器法。電阻法價格低、設(shè)計簡單利用兩端的電壓來計算電流?；ジ衅髟硗儔浩鳎媒涣麟姷碾姶鸥袘?yīng)原理來計算電流，一般用于高壓大電流?；魻杺鞲衅髟頌橥ㄟ^外加±5 V電源，利用霍爾效應(yīng)和磁場平衡來對交直流電流進行采樣，測量精確，成本較高，適用于與對電流值要求特別精準的行業(yè)。綜合考慮，本次設(shè)計采用電阻法即可滿足要求。硬件設(shè)計圖如圖7所示，通過采用差分放大的方式來提高測量精度，為了防止控制器出現(xiàn)實效時，導(dǎo)致采樣電流值升高，導(dǎo)致8端電壓過高而燒壞DSP芯片，在8端電壓的輸出管腳加入有二極管構(gòu)成的限幅電路。

3）功率驅(qū)動電路設(shè)計

功率驅(qū)動電路分為驅(qū)動電路和電機功率主電路兩部分。驅(qū)動電路將DSP產(chǎn)生的PWM信號隔離放大處理，然后送至功率主電路，完成驅(qū)動功率主電路開關(guān)管的導(dǎo)通，功率驅(qū)動電路相當于電機功率主電路的輸入，完成信號的隔離、放大，功率主電路相當于逆變器用于將直流電壓轉(zhuǎn)換成電機運行的交流電，電路設(shè)計如圖6所示。

2.3 程序設(shè)計

驅(qū)動機設(shè)計中，硬件電路是功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)的軟件則是系統(tǒng)運行的靈魂，本次軟件設(shè)計采用TI公司的CCS3.3軟件進行編譯。程序的語言采用C語言編寫，針對DSP的一些特殊操作加入一些匯編語言，程序的流程圖如圖7所示。

圖5 電流采樣電路設(shè)計

圖6 功率驅(qū)動電路圖

圖7 程序設(shè)計流程圖

2.4 系統(tǒng)運行分析

將驅(qū)動器與步進電機連接好，硬件設(shè)置完成，軟件調(diào)試正確后，對DSP芯片的IOPB4、IOPB5的輸出信號進行檢測，確定電機的轉(zhuǎn)向，當輸出信號如圖8所示時，電機正轉(zhuǎn)。

圖8 正轉(zhuǎn)輸出信號

當對步進電機進行16細分控制時，從系統(tǒng)功率驅(qū)動模塊監(jiān)測到的步進電機的電機繞組電流如圖9所示；32細分控制時的電機繞組電流如圖10所示。從圖中可以看出，對電機控制越是細分，步進電機繞組電流的波形越接近正弦波，步進電機的控制性能越好。

圖9 16細分控制繞組電流

圖10 32細分控制繞組電流

3 結(jié)論

文中對兩相混合式步進電機的控制原理入手，采用DSP芯片為控制核心，設(shè)計了控制器的硬件電路，完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，改善了步進電機失量控制性能。

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Research and design of a two phase hybrid stepper motor control driver based on DSP

YANG Yuan-kai
（Foshan Professional&Technical College，F(xiàn)oshan528137，China）

To improve the steady-state performance and dynamic characteristics of the two-phase hybrid stepping motor based on the purpose of this paper，combined with the torque vector control strategy，proposed DSP stepper motor driver design based on.By using the maximum current rotor field orientation torque vector control，to control the two-phase hybrid stepping motor.The hardware adopts TMS320FS2812 the design of the motor controller，current sampling circuit，motor driving circuit and auxiliary circuit related.The SVPWM modulation strategy in the inverter circuit，and improve the performance of motor control.The output of the drive test，the control of motor control is more segmentation，better performance of the motor.

DSP；loss of control；stepper motor；driver

TN713

A

1674-6236（2017）23-0125-05

2016-11-10稿件編號：201611073

楊元凱（1974—），男，土家族，湖南瀘溪人，碩士，講師。研究方向：自動化控制及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊。