基于DSP的混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵海龍

摘要：本文運(yùn)用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制理論，在DSP的視角下實(shí)現(xiàn)對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以DSP為主控制器件，實(shí)現(xiàn)混合式步進(jìn)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和反饋的數(shù)字化控制，同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用分析其效果以及對(duì)電機(jī)性能的提升作用，為DSP技術(shù)在電機(jī)細(xì)分調(diào)速方面的后續(xù)應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐.

關(guān)鍵詞：DSP;兩相混合式步進(jìn)電機(jī);細(xì)分調(diào)速;調(diào)速系統(tǒng);分析

中圖分類號(hào)：TM301.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）04-0092-03

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行當(dāng)中能夠克服傳統(tǒng)電機(jī)在低中速下性能不好的不足，在現(xiàn)代電機(jī)的發(fā)展中具有良好的運(yùn)用前景和發(fā)展?jié)摿?步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩矢量控制技術(shù)能夠很好地控制電機(jī)運(yùn)行過程中的輸出轉(zhuǎn)矩和幅值，增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保障電機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)特性，在電機(jī)控制方面作為一種新型的技術(shù)而具有廣闊的發(fā)展前景[1].隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種新型的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)——DSP應(yīng)用而生，在電機(jī)控制領(lǐng)域產(chǎn)生了DMC（數(shù)字電機(jī)控制）技術(shù)和多重技術(shù)相互應(yīng)用的復(fù)雜電機(jī)控制技術(shù)，大大提高了電機(jī)的運(yùn)行速度和效率.

1 兩相混合步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制原理

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制原理經(jīng)歷了將近二十年的發(fā)展歷程，在過去技術(shù)不發(fā)達(dá)的情況下常常受到電子元件開關(guān)頻率、運(yùn)算速度等方面的限制，在具體的應(yīng)用中很少使用細(xì)分控制技術(shù)[2].隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是DSP技術(shù)的發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)提供了應(yīng)用的機(jī)會(huì).

1.1 步進(jìn)電機(jī)頻域劃分及角速度波動(dòng)的特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的頻率（fcp）以及邏輯通電狀態(tài)（N1）、轉(zhuǎn)子齒數(shù)（p）與平均轉(zhuǎn)速三者之間呈現(xiàn)很大的相關(guān)性.三者之間構(gòu)成如下的方程式：

步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行的過程中可以根據(jù)頻率的大小分為極低頻、低頻和高頻三種狀態(tài).步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)的現(xiàn)象，這十分不利于電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3].因此在實(shí)際的低頻與超低頻情況下可利用細(xì)分技術(shù)完成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)，從而提高步進(jìn)電機(jī)速度的控制精確度.防止電機(jī)在運(yùn)行的過程中因轉(zhuǎn)速過快而發(fā)生劇烈的振動(dòng)，影響電機(jī)的效率和使用年限.

1.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制理論

在運(yùn)用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制理論時(shí)，可以忽略定子線圈的波動(dòng)，將線圈的自感作為一個(gè)常量計(jì)算出轉(zhuǎn)矩：

其中電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為p，永磁體等效電流為Im，兩相繞組與永磁體等效勵(lì)磁電流的互感為Msr，兩相電流為iA，iB.該式即為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的理論基礎(chǔ)，從該式中可以看出兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的矩角特性與正弦曲線的特性基本相符[4].

當(dāng)在兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組上加上該式所示相角關(guān)系的電流

從上面的式子中可以看出同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與其具有很大的相似性，那么對(duì)于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的分析既可以等價(jià)為一臺(tái)永磁同步電機(jī)來分析，假設(shè)兩相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為P，此時(shí)該兩相混合式步進(jìn)電機(jī)就等同于一臺(tái)2P個(gè)電極的兩相同步電機(jī).在理想模型下，如果用模擬的正弦，余弦電流分別加載在步進(jìn)電機(jī)的兩相，將會(huì)得到同步電機(jī)相近的轉(zhuǎn)矩特性，從而確保電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)[5].步進(jìn)電機(jī)的控制細(xì)分效果正是基于微步驅(qū)動(dòng)方式，即將加載在步進(jìn)電機(jī)上的正、余弦電流數(shù)字化得到的.

2 DSP實(shí)現(xiàn)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分技術(shù)的主要任務(wù)就是兩相電流基值的計(jì)算，并按照以上的計(jì)算式子得到兩相的電流[6].因此為了達(dá)到這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，先求出電機(jī)A相和B相電流的給定值，然后與電機(jī)A相和B相電流負(fù)反饋的值進(jìn)行比較，最后得到兩者之間的差值.在PID環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，在系統(tǒng)的事件管理器中輸出脈沖，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)的閉合，最后完成對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和電流的控制技術(shù).具體的控制原理如圖1所示.

首先可以參照公式（4）中的方法確定電機(jī)A相和B相的電流值，得到A、B兩相每個(gè)細(xì)分微步的電流值.為了完成數(shù)字化計(jì)算，必須在微控制器的程序存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)細(xì)分控制函數(shù)基值表以備查取[7].由于所選用DSP為16位，故按照如下方式完成電流基值的計(jì)算，其中括號(hào)代表取整數(shù)：

其中微步數(shù)為t.

首先確定細(xì)分?jǐn)?shù)，然后當(dāng)S確定后就可以通過查表法得到電機(jī)A相和B相的電流基值.如果S的取值為128，那么可以得到B相的電流機(jī)基值，如表1所示.

A相電流與B相電流使用同樣的查表法得出.由式子（4）、（6）即可求得給定的A、B相電流：

DSP通過對(duì)A相和B相的電流進(jìn)行反饋才得到實(shí)際的電流iAS、iBS與轉(zhuǎn)換后電流之間的差值：

PID軟件獲得差值信號(hào)后將其輸送給DSP事件管理器，產(chǎn)生PWM信號(hào)輸出，得到一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和波動(dòng)值，可以采用電流跟蹤的方式將電流給定的正弦波信號(hào)與電機(jī)繞組上實(shí)際的流過電流進(jìn)行比較，如果實(shí)際電流值小于給定值，那么DSP在載波信號(hào)三角波的調(diào)節(jié)下，將PWM控制電壓信號(hào)脈寬變窄.如果實(shí)際電流值大于給定值，則PWM輸出脈寬加大.控制系統(tǒng)就是利用這種辦法完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的給入，最終經(jīng)處理整形信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的繞組電流控制.

3 步進(jìn)電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制軟件的編寫，首先是初始化，然后利用串行中斷方式來讀取上位機(jī)的各種信號(hào)，即就是電機(jī)的方向轉(zhuǎn)速等，通過讀取信號(hào)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電流大小，同時(shí)確定上機(jī)位的位置，進(jìn)行細(xì)分步長S的計(jì)算：

（1）事件管理器A的GP定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率：

CPU的時(shí)鐘頻率為8MHZ，該設(shè)計(jì)選用計(jì)數(shù)周期為256的GP定時(shí)器，因此可以得到：

（2）電機(jī)步進(jìn)脈沖頻率

將電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為240r/min，步距角為1.5°，則脈沖頻率為：

（3）電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)

（4）求步長值

得到步長之后利用控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的電流基值表，配合給定的電機(jī)電流峰值，得出電流給定值.然后通過閉環(huán)系統(tǒng)反饋的電流值得到繞組實(shí)際電流，經(jīng)過差分運(yùn)算求出誤差值.再利用PID調(diào)節(jié)完成PWM的控制信號(hào)，最后與電機(jī)正反轉(zhuǎn)的DSP信號(hào)一并送往電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng).在控制軟件主程序中步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向可以在系統(tǒng)的作用下完成對(duì)不同電流的輸入和輸出，并決定邏輯信號(hào)的方向.如果需要反轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)得到相同的信號(hào)[8].電機(jī)整步運(yùn)行時(shí)，2路控制輸出口輸出等脈寬方波，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率即就是輸出脈沖頻率.步進(jìn)電機(jī)正向，反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩路控制輸出口方波相角相差90度.

4 系統(tǒng)調(diào)試

完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并與控制電機(jī)完成連接進(jìn)行上電運(yùn)行調(diào)試.首先利用主控DSP的IOPB4和IOPB5輸出的I/O信號(hào)決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向.然后進(jìn)行細(xì)分控制與微步距角的調(diào)試.控制繞組上的正余弦電流完成細(xì)分控制，當(dāng)微步距角進(jìn)行周期變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也周期性的發(fā)生變化，如果與電機(jī)的固定頻率相接近的時(shí)就容易發(fā)生振動(dòng)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對(duì)電機(jī)細(xì)分的應(yīng)用范圍有了很大的限制，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行缺少平穩(wěn)性.因此如何改善步距均勻性是需要解決的一個(gè)重要問題.唯一的辦法就是設(shè)置細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置閉環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精確度和定位，它可以在電機(jī)的運(yùn)行中排除摩擦力、負(fù)載力等引起電機(jī)不穩(wěn)定的因素.但其缺點(diǎn)是需要在裝置上加上檢測的元件，且分辨率受到檢測元件的限制.還有一種方法可以通過對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)微步距角進(jìn)行反復(fù)循環(huán)的測定，得到轉(zhuǎn)子位置與微步距角之間的關(guān)系曲線，從根據(jù)函數(shù)曲線減小距角的范圍.

總結(jié)

混合式步進(jìn)電機(jī)作為工業(yè)控制中心常用的一種電機(jī)，隨著數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用前景將逐漸的廣闊.本文以DSP技術(shù)為核心，運(yùn)用到兩相混合式步進(jìn)電機(jī)中設(shè)計(jì)了數(shù)字控制系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行能夠完成步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分調(diào)速并且控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)兩者之間的實(shí)時(shí)通訊暢通.該控制系統(tǒng)具有良好的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是在數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域的應(yīng)用前景比較明朗.

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