步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

王彬

摘要：基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，采用光電編碼器反饋檢測信號和專用大功率驅(qū)動芯片THB6064H，不僅簡化了系統(tǒng)的外圍硬件結(jié)構(gòu)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。因此，本文就基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)進行探討，重點介紹了其設(shè)計流程，并根據(jù)設(shè)計與應(yīng)用中的實際問題進行了分析和提出具體措施，為DSP步進電機控制系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：步進電機;閉環(huán);DSP

前言

步進電機快速啟動和步進精確，用于數(shù)控刀具的高速定位系統(tǒng)中，由于定位和速度控制要求高，主芯片為單芯片，在控制系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性和處理速度方面限制了系統(tǒng)的實時性和速度，采用東芝THB664H專用驅(qū)動芯片與DSP主控制芯片。

一、步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.DSP介紹

DSP是一種數(shù)字信號處理器，是一種微處理器，旨在實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。TI公司的TMS320F2812是本文選定的主控制芯片。此芯片結(jié)合了豐富的外圍模塊。芯片內(nèi)是一個快速RAM，為增強的哈佛線結(jié)構(gòu)，可以通過單獨的總線并行使用多個內(nèi)存。

2.系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

DSP根據(jù)計算出的差異數(shù)據(jù)，驅(qū)動步進電機操作，向其發(fā)送位置脈沖和方向脈沖信號。通過電機位置的實時顯示，進行整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實現(xiàn)數(shù)字控制裝置在刀具的快速、準(zhǔn)確的監(jiān)控和定位。在本文中，DSP控制系統(tǒng)通過控制兩個56BYG250C兩相步進電機來控制工具向X和Y方向的位移。

二、硬件與電路的設(shè)計

1.串口通信電路設(shè)計

串口通信模塊的SCI接口使用兩條導(dǎo)線的異步通信接口。系統(tǒng)DSP控制單元應(yīng)與上位機通信進行數(shù)據(jù)傳輸，上位機的高低電平為±12V，DSP在0～3.3V之間，因此該電平轉(zhuǎn)換是強制性的。該系統(tǒng)使用通用的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，在分壓器進一步產(chǎn)生3.3V電壓后，其輸出電平直接連接到DSP引腳。

2.功率驅(qū)動電路設(shè)計

THB664H專用于驅(qū)動芯片，通過簡單的外圍電路可實現(xiàn)強大的多部分、高流量電路。內(nèi)置過熱保護和電源檢測，帶4位8檔子區(qū)域控制（1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64）。

HC-PL2530高速光電耦合器分離信號，不僅補充了控制信號電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了器件之間的高效絕緣，而且修改了控制信號，提高了系統(tǒng)的整體控制精度。在裝配電路設(shè)計中，光電耦合隔離模塊電源應(yīng)分開，且設(shè)置獨立電源。

3.查明風(fēng)險和控制措施的實施

及時準(zhǔn)確地識別系統(tǒng)容易出現(xiàn)問題的點，采取有效的控制措施，風(fēng)險就可以避免。首先，結(jié)合具體情況，確定系統(tǒng)中的風(fēng)險點。第二，為了制定針對已查明的風(fēng)險點的措施，進行檢查與排除。第三，在使用中，監(jiān)控控制措施，確保每個風(fēng)險點處于受控狀態(tài)。四是在日常工作中對風(fēng)險點實施動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)新的風(fēng)險點，制定控制措施，及時消除問題，提高效率。

三、軟件設(shè)計

1.步進電機的位置檢測

步進電機是一種開環(huán)控制元件，可將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角或線位移。在不過載的情況下，步進電機驅(qū)動器接收脈沖信號，并在所需方向的固定角度控制步進電機。DSP2812事件管理模塊的定時器和比較單元可用于生成兩個電機所需的定位信號脈沖。

啟用DSP事件管理器EV捕獲單元的QEP模塊后，由光電編碼器產(chǎn)生的正交脈沖序列應(yīng)作為事件管理器中計數(shù)寄存器的時鐘源，且其應(yīng)為相差四分之一。事件管理器的計數(shù)器寄存器以電量脈沖中每個躍點的脈沖電荷上升的順序增加和減少目標(biāo)的輸入，該脈沖決定了步進電機的轉(zhuǎn)向和電機旋轉(zhuǎn)的角度。電機相對于初始位置的角度如下所示：

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

2.控制系統(tǒng)主程序系統(tǒng)的設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，首先進行初始化設(shè)置，然后與初始位置和預(yù)定位置之間的差異進行比較，根據(jù)位置差異估計步進電機的下一個時刻，并通過更改I/O端口電平來控制電機控制。電機脈沖n在操作過程中的計算公式為：

式中，△為初始位置與預(yù)定的差值，r為步進電機的步距角。

四、存在的一些問題

1.控制系統(tǒng)硬件故障

利用各種機械硬件和軟件，可以有效保證控制系統(tǒng)的順利運行。在控制系統(tǒng)的實際操作中，如果設(shè)備有缺陷、出現(xiàn)問題，則容易顯示出異常。這些設(shè)備在給定的應(yīng)用過程中，最常見的出現(xiàn)故障的軟硬件組件就是采樣率濾波和DSP故障，這些組件容易引起運行故障，使控制系統(tǒng)功能出現(xiàn)輕微的誤動和拒動效果，進而影響其他設(shè)置的運行效果。

2.A/D采樣中的濾波

系統(tǒng)對電流調(diào)整的精度決定了步進電機的運行功率，電源閉環(huán)控制應(yīng)在A/D采樣中進行，但在實踐中缺乏控制系統(tǒng)是不可避免的，因此在電源的A/D采樣回路中應(yīng)采用相應(yīng)的過濾措施來減少干擾。例如，在使用二階低通濾波的當(dāng)前硬件部分中，還必須使用滾動平均濾波方法和其他類似的過濾措施來設(shè)計軟件，以進一步提高控制系統(tǒng)的性能。

3.運算中溢出問題的解決以及計算精度的提高

方案的計算應(yīng)考慮到運算溢出。角度位移值和7FFFH應(yīng)相與，以避免溢出。根據(jù)計算精度，程序使用32位乘法和加法。使用DSP2812硬件16x16乘法器，需要兩個16位才能記錄乘法結(jié)果，除了乘法結(jié)果外，還需要32位，計算后從32位計算結(jié)果中選擇所需的16位。

4.日常技術(shù)維護措施

（1）各硬件部件的日常技術(shù)維護。保持電路通暢以及系統(tǒng)電壓等正常，保持液壓系統(tǒng)運行，保持各系統(tǒng)接合、工件正常。

（2）操作人員應(yīng)進行良好的監(jiān)測。系統(tǒng)運行后，操作員員應(yīng)根據(jù)計算機的日常參數(shù)分析變化。分析后發(fā)現(xiàn)異常的，應(yīng)當(dāng)立即對異常問題進行連續(xù)監(jiān)測，并根據(jù)變更進行必要的技術(shù)處理。同時，活動日志將詳細(xì)存儲整個執(zhí)行過程中的所有數(shù)據(jù)。不斷復(fù)盤與改進

結(jié)束語

根據(jù)分段電機運行原理和主要特性分析，設(shè)計了配備TMS320F2812芯片的步進硬件電路和操作軟件，實現(xiàn)控制和力集成。在步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用過程中，系統(tǒng)保護各種設(shè)備正常運行，產(chǎn)生影響。而問題要想得到有效的控制，就要通過確保步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用的整體效果，加強設(shè)計與檢查，利用系統(tǒng)優(yōu)勢和功能減少問題，有效減少步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用中的問題。步進電機控制系統(tǒng)是一個非常高效的技術(shù)裝置，更要求設(shè)計與操作人員強調(diào)專業(yè)精神和長期經(jīng)驗。

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