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直线步进电机控制系统的设计 王超， 翁盛隆 ( 上海大学机自学院， 上海 200072) d e s i g no f t h e c o n t r o l s y s t e mf o r l i n e a r s t e p p i n gmo t o r wang ch a o ， ( s c h o o 1 o f me c h a n i c a l a n de l e c t r o n i c e n g i n e e r i n ga n d we n gs h e ng 一 l o n g au t o ma t io n ， s h a n g h a i u n i v e r s i t y ， s h a n g h a i z o o 0 7 2 ， c h i n a ) 摘要: 采用美国t l 公司的数字信号处理器 t ms320l f 2 4 o 7 a和 s g s公司的步进电机驱动芯 片p b l 3 7 1 7 a， 构成了两相混合式直线步进电机的 控制系 统。运行结果表明所设计的控制系统具有细 分精度高、 运行平稳且噪声小、 功耗低、 可靠性好及 性价比高等优点。 关键词: p b l 3 7 1 7 a; d s p ; 直线步进电机; 细分 驱动 中图分类号: t p 271 文献标识码: a 文章编号: 1 0 0 1 一 2 2 5 7 ( 2 0 0 7 ) 0 6 一 0 0 3 2 一 0 4 a b s t rac t : t h i s p a p e r i n t r o d u c e dac o n t r o l s y s - t e mf o r t h e h y b r i d l i n e a r s t e p p i n g m o t o r w h i c h w a s b a s e do nt ic o m p a n y sd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n ds g sc o m p a n y ss t e p p i n g m o t o r d r i v e r p b l 3 7 1 7 a . t h e o p e r a t i n gr e s u l t i n d i - c a t e s t h e c o n t r o l s y s t e mt h a t h a s b e e nd e s i g n e dh a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h d i v i s i o n p r e c i s i o n ， s m o o t ho p e r a t i n g ， l o wn o i s ea n dp o w e rl o s s ， g r e a t r e l i a b i l i t ya n d t h e h i g hp r o p e r t yp r i c e r a t e . k e yw o r d s : p b l 3 7 1 7 a; d s p ; l i n e a rs t e p p i n g mo t o r ; mi c r o 一 s t e pd r i v e r 直线步进电机， 采用高倍细分驱动技术， 设计了可以 实现最多2 56微步的直线步进电机控制系统2j。 1 控制系统整体设计 直线步进电机的控制系统可以实现整步、 半步、 1 /4 步以及微步运动， 其控制原理如图 1 所示。 !细分电路 一 一 . 一- 一 一 ， t ms3 20l f2 407 a 键盘 驱动电路 吞 直线步进 电机 直线步进电机控制系统原理 2 细分驱动电路 选用2 片p b l 3 7 1 7 a和 1 片4 通道 1 2 位 d a 转换器d a c 7 7 25p ( 图2 只标出d a转换器的3 路 输出: d a c o ， d a c i ， d a cz) ， 构成直线步进电机的 细分驱动电路。具体硬件电路如图2 所示。 +s v+ 2 4 y 0 引言 直线步进电机是一种将脉冲信号直接转换成微 步直线运动的装置。它具有良 好的动态特性和静态 特性， 其步距角和转速不受控制电路电压波动和负 载变化的影响， 仅与控制脉冲的频率及相序相关 。 直线步进电机在整步运行的情况下， 其运动平稳性 较差， 且定位分辨率也较低。为此， 针对两相混合式 收稿日期: 2 0 0 6 一 1 2 一 1 2 3 2 图2 细分驱动电路 机械与电子 2 0 0 7 ( 6 ) 2 . i p b l 3 7 1 7 a的功能 3 p b l 3 7 1 7 a是 s g s 公司设计生产的步进电动 机单相绕组的驱动电路， 内部采用的是 h桥电路。 其中， i n p ut i ， i n p u t o ( 图2中简写为 1 ， ， 1 。 ) 为输 人端， 用于选择绕组线圈电流; o u t p u t a， o u t - p u t b ( 图2 中以ma ， mb 表示) 为输出端， 分别接直 线步进电 机一相绕组线圈的两端。 p h a s e ( 图2 中简 写为p h a， p h b ) 的作用是控制直线步进电动机定 子绕组中电流的方向。当p h a s e =0 时， 电流从 mb 流向 m、 ; 当 p h a s e =1时， 电流从 ma流向 mb 。 p b l 3 7 1 7 a对步距的控制是通过选择 1 : ， 1 。 的不同 逻辑组合来控制线圈绕组电流， 从而达到步距控制 的目的。1 ， ， 1 。 的真值表和对绕组电流控制的关系 如表 1 所示。 b 0 . z a b 一 a b 一 ao . z b a ao . z b 一 ab 一 0 . z ab 一b 0 . z ab 一 ab ao . z b a ao . z b， 其中。 . z a ， 0 . z b分别表示a相、 b相绕组取20% 电流。二相 16 拍 1 /4 步距所需的控制信号 1 。 a， 1 ， a， 1 。 b ， 1 : b ， p h a s e a， p h a s e b的状态如表2 所示。 a o . z b ( 1 / 4 步) a ( 半步) 表 1对应关系 石 丫了 b ( 半步) 绕组电流 无电流 2 0 % 6 0 % 1 0 0 % 图3 整步、 半步及 1 /4步矢量 表 2 项目io p bo 绕组电流拍数i i b i o p bii o p b 3 几a i o p b 4 p h a s e a i o p bs ph a s e b 1 1 脚( r e f e r e n c e ) : 外接参考电压， 改变 r e f e r - e n c e 可实现微步距控制; 而当直线步进电机在整 步、 半步及1 /4步运行时， 将n脚接固定电压+s v 即可。 2 . 2 细分控制 因为对于本文所采用的驱动方法， 整步、 半步和 1 / 4 步的实现方法类似， 是采用内部 2 位 d a转换 器实现; 而微步运动的实现方法有所不同， 它是通过 外部d a转换器改变 p b l 3 7 1 7 a的参考电压， 从而 改变线圈绕组中的电流来实现微步运动。所以分别 以1 / 4 步和微步为例阐述其实现方法。在以下讨论 中以a ， b表示两相绕组正向电流工作， 以天， 百表 示二相绕组反向电流工作。 2 . 2 . 1 1/4 步距工作方式 直线步进电机在实现整步、 半步和1/4 步运动 时， p b l 3 7 1 7 a的参考电压输人脚( n脚) 需接固定 电压+s v 。为了实现1 /4步距工作方式， 要在整步 与半步间插人一个 1 /4 步的状态， 如图3 所示。如 上方的1 /4步状态， a相绕组取1 00%电流， b相绕 组取20%电流。在第 1 象限由半步a状态到半步 b状态要经过 4 拍， 即 a a o . z b a b 0 . z a b b; 知道第 1 象限的矢量图不难推出其它3 个象限 的矢量图， 一个循环需 16拍完成， 即ab 0 . z ab 机械与电子 2 0 0 7 ( 6 ) 0 . z ab b 0 。 z a b a b ao 。 z b l 0 1 1 1 2 1 3 1 4 天、 1 5110001 励 . 招1 6100000 从表2 可以得到直线步进电机工作在 1/4 步方 式下每个状态的控制字， 从第 1 拍到第16拍的控制 字分别为o x00 0 0 ， 0 x 0 0 0 4 ， 0 x 0 0 0 c ， o x o o l 4 ， 0 x 0 0 1 0 ， 0 x 0 0 1 1 ， 0 x 0 0 1 3 ， 0 x00 3 1 ， 0 x 0 0 3 0 ， 0 x 0 0 3 4 ， 0 x 0 0 3 c， 0 x00 2 4 ， 0 x 0 0 2 0 ， 0 x 0 0 2 1 ， 0 x00 2 3 ， 0 x 0 0 o i 。通 过 d s p的 1/ 0端口依次输出上述控制字来控制 p b l 3 7 1 7 a的相应引脚， 以改变直线步进电机的相 电流的大小和方向， 从而实现直线步进电机的1/4 步距运动。 其实， 采用本节所述控制方法可以实现 16拍的 运行， 但由于 p b l 3 7 1 7 a的设置局限， 从图 3 可以 。 3 3 看出， 在二相激励时的转距是单相的1 . 4 倍， 这是因 为二相激励时的转距是单相激励时转距的矢量合 成。所以电机运行的步距是不均匀的， 即无法得到 均匀的 1 /4 步的步距。但如果两相激励时， 采用 1 1 1 。 =0 1 方式， 使电流降到60%， 由于磁路原先有饱 和效应， 此时每相转距可能增大到70%左右， 两相 合成的转距接近于 1 。这样电机就可以近似实现恒 转距运行。 2 . 2 . 2 微步工作方式 直线步进电机的细分控制 ， 是通过对直线步进 电机的励磁绕组中电流的控制， 来使其内部的合成 磁场均匀变化， 从而实现直线步进电机步距的细分 控制， 达到微步运动的目的。一般情况下 ， 合成磁 场矢量的幅值决定了直线步进电机运行力矩的大 小 ， 相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了 步距的大小。因此 ， 要实现对直线步进电机恒力矩 的均匀细分控制 ， 必须合理控制电机绕组中的电 流， 使直线步进电机的合成磁场的幅值恒定 ， 而且 每个进给脉冲所引起的合成磁场的变化也要均匀。 虽然理论上可以对直线步进电机实现任意细 分， 但实际上所能达到的细分数主要决定于d /a 转换器的分辨率和 c p u的处理速度以及电机本身 的机电性能。本文以 2 56 细分为例进行介绍 。因 为直线步进电机的控制原理和旋转式步进电机的控 制原理很相似， 所以把旋转式步进电机的较为成熟 的细分控制技术应用到直线步进电机上。直线步进 电机2 56 细分时的第 1 象限的运行力距矢量图如图 4 所示 。 具体实现过程如下， 首先要将p b l 3 7 1 7 a 的线 a最大整步 圈绕组电流选择引脚1 。 a ， i i a ， 工 。 b ， 1 ， b置。 ， 使得a 相、 b相电流都取 100 %; 然后通过 d a转换器输出 的正弦和余弦信号改变p b l 3 717 a的 n引脚的参 考电压， 来改变相电流的大小， 使其分别按正弦和余 弦规律变化。从图 4中可以看出在第 1 象限 a相 按余弦规律减小， b相按正弦规律增大， 它们在第 1 微步位置的合成矢量顶点的坐标为: ( 1 0 0 火c o s ( ( i x3 . 1 4 1 6 ) / ( 2 火n ) ) ， 1 0 0 义s i n ( ( i x3 . 1 4 1 6 ) / ( z xn ) ) ) 其中， n 为细分数， 在这里取n =2 56; 1 取。 到n 之间的值。 从这个坐标值可以很容易计算出第 1 微步的合 成矢量的模值为 100 ， 所以直线步进电机可以实现 恒转距运行。当矢量按顺时针变化时， 直线步进电 机正转， 反之反转。在第1 象限， p h a和p h b都置 高电平， 通过第 1 象限的矢量图可推出其它 3 个象 限的矢量图。按着该矢量图的变化规律进行控制， 就可以实现直线步进电机的细分控制。 几 戈 当/ 当 叁 尊 奢 留撰次1寸1 次艇钾窦y b 相电流/ % 习 b 1 00 墨针 图4 微步运动矢量图 3 软件部分 直线步进电机控制系统的软件由主程序、 细分 驱动程序、 正向运行子程序、 反向运行子程序、 键处 理程序、 显示程序和升/ 降速控制子程序等组成。 a . 按键处理程序主要实现: 直线步进电机运行 方式的选择， 如整步、 半步、 1/4 步和微步; 设置步进 电机的运行频率、 正反转、 起动和停止等任务。 b . 显示部分主要 由 4个 7段数码管和 5个 l e d发光二极管组成。数码管用于显示直线步进 电机的运行频率; 5 个 l e d发光二极管主要用来指 示步进电机的起动、 停止、 暂停、 正转及反转。 c . 正向运行与反向运行子程序中有判断键值的 功能， 每当它们被调用， 会首先点亮“ 正转” 或“ 反转” 指示灯; 若接收到停止信号， 则此时向线圈 a， b 发 出停止信号， 且点亮“ 停止” 提示灯; 若接受到暂停信 号， 则保留当前的d a转换器的值， 同时点亮“ 暂停” 提示灯。 d . 为了节省c p u时间， 对正弦、 余弦信号的 数 字量， 不采用即时计算的方法实现， 而先用 mat l ab 计算出相应的值， 形成正弦、 余弦函数表， 存放在 d s p存储器中， 通过查表形成正、 余弦信号 4 。 单 极性d a转换器生成正弦、 余弦信号的计算公式为: 5 =( s i n ( ( xx3 . 1 4 1 6 ) / ( z xn) ) ) x( z d一1 ) 机械与电子 2 0 0 7 ( 6 ) c =( c o s ( ( xx3 . 1 4 1 6 ) / ( 2 又n) ) ) 只( z d一1 ) 其中， 5为正弦值; c为余弦值; n为细分数; x 取。 一n; d为d a转换器分辨率。直线步进电机细 分驱动子程序流程如图 5 所示。 步进电机在启动和停止时的震动和过冲现象。且控 制电路简单、 性能稳定、 成本低廉， 该电路不仅适用 于直线步进电机， 对普通步进电机也有一定的参考 价值 。 相序加1 细分电流加1 查表输出相应 值 相序数和细 . 分数 到否乞 结束设置表格首地址 图5 细分驱动子程序流程 4 结束语 两相混合式直线步进电机的控制系统能实现整 步、 半步、 1 /4 微步以及最大为 2 56 细分的微步运 动。由于采用了高倍细分技术和在软件上实现最优 控制技术使得直线步进电机运行平稳， 同时减少了 参考文献: 1 刘贤兴. 混合式直线步进电机细分驱动电路的实现 j . 微电机， 1 9 9 7 ， 3 0 ( 5 ) : 1 5 一1 7 ， 4 0 . 2 丁志刚. 微特直线电机及控制【 m . 杭州: 浙江大学出 版社， 1 9 87. 3 s g s 公司. p b i j 3 7 1 7 as t e p p e r m o t o r d r i v e r 2 . 1 9 8 6 4 刘和平， 等. t ms 3 2 o l f 2 4 o xd s pc语言开发应用 m . 北京: 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 3. 作者简介 向为机电一体化 : 王超( 1 9 8 1 一) ， 男， 湖南常德人， 硕士， 研究方 ( 上接第31 页) 从图8 可以看出， 当工作台从 om m位置到达 600 m m位置处并返回o m m点， 在定位点出现明显 的超调和位置调整， 这是因为负载质量增加后对系 统性能产生了影响。 当采用动态质量辨识与在线补偿以后， 在不改 变系统参数的条件下， 以相同的方式运行， 得到时间 位移曲 线如图9 所示。在定位点6 00m m和o m 。 处原来出现的位置超调消失， 说明动态质量在线辨 识与补偿器起到了很好的系统性能优化的作用。 进行辨识， 然后系统根据辨识结果实时调整系统的 参数， 实现动态质量的在线补偿， 对于改善系统的性 能具有非常明显的作用。仿真分析和实验均验证了 该方法的有效性和可行性。 . 入人 不 1 ” 坤 加 b 甲: 2 axi st 丫 p e : d i g . l i n e ar axi s 入a x i s 塑 铆皇 义 人p r o c e s s: m a 别七r 月十，!1一 ooc户n nun户nn 0 0 00 n八iic八ulllfl 勺oncu内un bl力连二q口q乙11 目曰/uo户的odl目np。v 0.o l es. 0 ， 0 图 9 1 ， 0 0 0q2 ， 0 0 003 . 0 0 004 ， 0 0 00 t / 5 加载后采用动态质量辨识与补偿之后 测得的工作台实际位移一 时间曲线 4 结束语 用直线电机工作原理设计出来的在线负载质量 辨识器， 对直线电机直接驱动进给系统的运动质量 机械与电子)20 0 7 ( 6) 参考文献: 1 x i a os h u h o n g ， z h a c h a n g l i . i n v e s t ig a t io no nt h e d y - nam i c b e h a v i o r o f h i g h 一 v e l o c i t yf e e ds y s t e md i r e c t l y d r i v e n b y a l i n e a r m o t o r a . p r o c e e d i n g s o f f i r s t l n - t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o nl n nov a t i v ec o m p u t i n g c . i n f o rma t i o n a n dc o n t r o l ， b e ij i n g ， 2 0 0 6 ， ( 8 ) : 6 6 5 一6 6 8 . 2 g o r d o ns e a m u s ， h i l l e r ymi c h a e l t . d e v e l o p m e n t o f a h i g h 一 s p e e d c n cc u t t i n gm a c