硕士学位论文-基于DSP的喷码机运动控制系统的设计.pdf

同济大学中德学院硕士学位论文基于DSP的喷码机运动控制系统的设计姓名：丁明建申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：王磊20080301摘要摘要本文介绍了一种基于DSP和两相混合式步进电机的喷码机运动控制系统设计方法。本系统采用TMS320F2812DSP微控制器作为核心控制器件，采用专门为两相四相步进电机设计的L297L298双全桥驱动芯片作为功率驱动器件，结合电流、DA电路等实现对两相混合式步进电机的数字控制。SCI串行通讯程序完成了电机控制系统与上位计算机的实时通讯，使上位计算机可以监测和控制步进电机的工作状态。在控制策略方面，本文通过分析两相混合式步进电机的数学模型，介绍了两种电机控制策略一步进电机斩波驱动和细分控制，并且分析了步进电机细分驱动的数学模型。斩波驱动提高了高频响应，节省了能量；细分控制策略能够有效地克服电机低频振动的问题，提高了电机在中、低速运行时的性能。简洁、友好的人机交互界面方便了对步进电机的控制。本文给出了系统的运行结果。结果表明基于DSP的两相混合式步进电机数字控制系统能够提升电机性能。这为喷码机运动控制系统的设计奠定了坚实的基础。关键字：喷码机两相混合式步进电机细分控制DSPAbstractAbstractThethesisdevelopsaDSPandatwophasehybridsteppingmotor-baseddigitalcontrolsystemforcodespurtingmachineThissystemismainlyconstructedfromaTMS320F2812DSPwhichisusedastheCOreofcontrolpartsandadualfull-bridgedriverL297andL298whichisusedasdrivingpartsCombined、jI，imothercircuitsandapparatus，thesystemfulfillsthedi!gitalmotorcontr01MeanwhileafterusingSCI(SerialCommunicationInterface)programsthererealizethecommunicationbetweenthemotorcontrolsystemandthehostcomputerThethesisanalysestheelectromagneticrestrictedrelationoftwo-phasehybridsteppingmotorandsetsupitsmathematicsmodelsAfterthatthethesispresentstwocontrols：constant-currentchopperandsubdividedcontrolThenthethesisintroducesthemathematicsmodelsofsubdividedcontrolUsingsubdividedcontrolinthesystemcanmarkedlydecreaselowfrequencyvibrationofthemotorandCanenhancemotorsaccuracyUsingconstant-currentchopperCanincreasemotorsrespondathi曲frequencyandCanupgrademotorsdynamiccharacteristicThedesignofinterfacebetweenPCandcomputerisalsoaveryimportantpartofthethesisFinallythethesisgivesandanalysesrunningresultsofthemotorcontrolsystemsafterusingdifferentcontrolsTheresultsshowthattheDSPbaseddigitalcontrolsystemsofthetwophasehybridsteppingmotorhavethedesiredperancesKEYWORDS：code-spurtingmachinetwo-phasehybridsteppingmotor，subdividedcontrol，DSPII学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：积p伊1年月汐Et同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：洲年月烨日第1章绪论第1章绪论11喷码技术的发展和应用D卅喷码机是一种由单片机控制，非接触式喷墨标识系统。其通过控制内部齿轮泵或由机器外部供应压缩气体，向系统内墨水施加一定压力，使墨水经由一个几十微米孔径喷嘴射出。并由加在喷嘴上方晶体振荡信号将射出连续墨线分裂成频率相同、大小相等、间距一定的墨滴，然后，墨滴在经过充电电极时被分别充电，其所带电量大小由中央处理器CPU进行控制；再经过检测电极检测墨滴实际所带电量与相位是否正确；最后，带电墨滴在偏转电极形成偏转电场中发生偏转，从喷头处射出，分别打在产品表面不同位置，形成所需各种文字，图案等标识。而没有被充电墨滴则打入回收槽，重新进入机器内部的墨水循环系统。喷码机技术起源于上个世纪60年代，直到七十年代末，美国才生产出世界第一台商用喷码机。八十年代后，喷码机这一融多项技术于一体的高科技产品进入我国市场，并且在我国包装领域得到了广泛的应用。现在的喷码机可以分为墨水喷码机和激光喷码机两大类。墨水喷码机产品开发早，价格相对激光机便宜，目前仍占市场主导。墨水喷码机按字体大小分为小字体、大字体；按原理分连续喷射(ClJ)和按需喷射(DoD)。表11为ClJ和nOD两种喷印方式性能比较。表11ClJ和I)OD两种喷印方式性能比较条目ClJ喷印方式DOD喷印方式字符高度06姗一15mm25mm-64mm喷印速度喷印小字符点阵速度快，大字符慢喷印速度不受字型点影响墨水浓度机器运行时，墨水循环使用墨水不循环使用，浓度有差别运行成本需加稀释液，成本比Don式高需加稀释液，成本比ClJ式高供墨系统墨水回收系统易吸粉尘墨水不回收，密封性好故障率墨点须经晶体振荡、充电、高压墨水直接喷出，精密部件少，偏转等控制，故障率高故障率低第1章绪论现今喷码技术被广泛地用于食品、饮料、烟草和化妆品等产品的包装中。而这些塑胶材料多为PVC、PE、和PET，也就是喷码机在包装领域内主要的喷印对象。1、包装行业包装材料要求喷码效果不仅清晰，而且要美观。非接触式喷墨机和激光喷码机由于在喷码过程中不接触产品表面，所以无论是规则还是不规则的物体表面，无论是圆形、方形还是崎岖不平的表面，喷码机都可以出色地完成任务。另外，塑胶薄膜在产品的包装中使用量也较大。如果遭受挤压，薄膜会受到一定程度的损害，直接影响包装的美观程度，而使用非接触式的喷码技术则不存在此问题。由于食品、饮料、烟草等产品与生活密切相关，因此包装材料对卫生的要求也相对较高。激光喷码机由于不使用墨水进行打印，可以确保产品和生产环境的清洁，因而喷码标识技术在包装材料上的应用受到极大关注。2、塑胶管材与移印或网印等普通的印刷方式相比，喷码机具有非接触式喷印、高速高效、低成本、即时喷印可编程及可随时改变喷印内容等优点。越来越受到塑胶制品供应商的青睐。塑胶管材行业的产品很多包括排水管线槽、铝塑管、复合管和橡胶软管等。其中有些管材长久处于高温高热的环境下，要求本身标识对于日照及高温等环境也具有较强的抵御能力，即保证标识的长久性。此外，塑胶管材的高挤出速率也要求喷码速度能达到同步，而微小管材则需要灵活、精巧的喷码技术配合。3、电线电缆喷码技术在电线电缆行业的应用也非常广泛。电缆电线产品，从外表上很难识别品牌或商标，通过喷印产品规格和厂名厂标，可以快速识别正牌产品。这种产品对于标识的要求是：容易分辨、不易磨损且具有良好的耐化学物品性能和抗紫外线性能，并且其允许进行喷印的角度和时间非常自由，可以是360度的喷印角度，也可以在产品的底部、侧面或顶端进行喷印。市场上已有不少喷码设备能满足这些条件。4、香烟包装工业喷码技术已经在香烟包装领域应用许久，它除了可以在烟制品的各种包装(内包装、外包装、纸箱)上喷印编号、有效期、批号、徽标、品名等各种信2第1章绪论息以外，还可以通过喷码技术的杰出应用，为香烟提供产品防伪、销售管理、流向跟踪等符合人们各种需求的标识解决方案。在欧洲，喷码技应用市场80年代保持了30一40的年均增长率，进入90年代，依然保持着每年1550高速发展水平，未来前景非常看好。目前，中国消费者的产品质量意识越来越强，对产品信息的标注和要求也越来越高，政府和有关部门也不断出台新的法律法规，对此进行严格的规范和管理。同时，企业本身的质量管理和自我保护意识以及自动化管理水平也在不断提高，利用喷码技术进行产品质量控制和跟踪、加强销售渠道管理和仓储管理等的业务也越来越多喷码技术以其在条码印制方面使用灵活、效率高、成本低的优点对提高企业和产品的形象、促进产品销售、提高工作效率、增加经济效益均起到了很大作用，因而其应用范围正飞速地发展，应用领域也日益随着人们环保意识的不断增强拓广，对墨水的安全性和低污染性的要求越来越高，尤其是要将条码直接喷印在一些食品，例如水果、鸡蛋等上面时，更是如此，这也为绿色环保墨水的应用发展提出了新的要求，开拓了广阔的市场。中国已加入WTO，随着进出口贸易规模的不断扩大，客观上要求中国商品标识及识别技术与国际标准接轨，条码技术的应用日益广泛和普及，因为只有基于条码技术的自动化管理才是解决商品(物品)大进大出快速周转的有效途径。提高条码印刷速度、效益，灵活的喷码技术也将拥有更加广阔的发展空间。12喷码机运动控制系统的组成和存在的问题喷码机控制系统由喷码子系统、定位、运动子系统和综合控制子系统三部分组成，如图11所示。喷码子系统负责接收上位机(控制子系统)发送的喷印命令，设置喷印格式及内容，并驱动喷头将字符串喷印出来；定位子系统按控制子系统的命令设置定位参数，并据此确定版面与喷头间的相对运动轨迹，驱动版面运动，当到达喷印位置时反馈给控制子系统一个定位触发脉冲；控制子系统则负责对喷印子系统和定位子系统进行监视和控制，以实现各部分协调工作。3第1章绪论图11喷码机控制系统组成为了使得系统能适应不同规格的版面喷印，运动(定位)子系统中运行轨迹是可以设置的，这个设置通过修改运行参数来实现。同时，为了提高喷印速度，规定版面按特定轨迹相对喷头运动，并允许在返回过程中也进行喷印工作。因此定位子系统中要设置的参数包括行距、行内第一个码元左端坐标、最后一个码元右端坐标、行内相邻码元间距离等。目前国内品牌在运动控制系统方面和国外品牌相比还有差距，主要表现在：1定位控制精度不够产品存在操作过程相对繁琐，控制精度偏低，稳定性不高等缺点。打码图案不清楚、变形等情况时有发生。导致这些缺陷的主要原因一方面是机械传动误差，更重要的是由于内部电机的控制精度不够造成的。所以精确的运动控制系统是提高打码质量的关键。步进电机功率小、精度高、响应性好，广泛地应用于喷码机运动系统。2交互式界面有待改进现在一般的喷码机控制系统一般都是手持式交互界面，在现场工作十分方便。但在实际的应用过程中，这是不够的。控制系统往往需要把喷码机运行的综合状况、喷印质量检测信息以及现场其他设备运行状况等信息集成处理，所以设计一个友好简洁的人机交互界面是很有必要的。本系统根据喷码机喷头运动特点，设计了基于DSP的步进电机精确控制系统，实现了喷头定位所需的控制精度，并设计了集喷码机各种信息于一体的人机交互界面。13相关技术研究现状4第1章绪论131步进电机驱动和控制理论研究现状司步进电机系统总的来说可分为开环和闭环两种。开环系统没有位置检测，步进脉冲从外部产生，闭环系统有位置反馈，除了启动脉冲外，运行时步进脉冲由位置反馈装置给出，属于自控式的运行。步进电机和其它电机相比主要优点在于在它能胜任的应用范围内它的性价比最高，但这指的是开环的步进电机系统，闭环步进电机系统需要额外的位置检测装置，成本和维护费用的增加大大影响了它的竞争力，所以较少被采用。传统步进电机驱动线路和所配套选用的步进电机结构密切相关。反应式步进电机一般采用单极性的驱动方案，这和普通开关磁阻电机(SRM)的驱动线路是一样的，当然，开关磁阻电机也可看成是一种大步距角的反应式步进电机。还有一些驱动方案采用了更少的功率器件，如Miller型等。混合式步进电机和永磁式步进电机则较多采用双极性的H桥驱动，星型接法或者多边形接法。由于步进电机一般绕组电阻和电感小，要求功率器件开关频率较高，而步进电机又大多用在小功率的应用场合，所以MOSFET是比较合适的功率器件。在某些要求高驱动电压和大驱动电流的场合，IGBT也是不错的选择。在上下桥的驱动线路中，由于MOSFET驱动的特点，上桥功率器件的驱动一般较为繁琐，可以采用独立的驱动电源配合光偶，也可使用脉冲变压器，或者采用P沟道的MOSFET，更为方便的办法是使用专用的门极驱动芯片，如InternationalRectifier公司的IR21i0等。步进电机专用集成驱动模块是另一种选择和趋势，在一些小功率的应用场合，使用它是方便而可靠的。对电流的控制一般采用恒流斩波的方式，细分技术的实现就依赖于此。也有通过控制直流侧电压或加到绕组上的电压来间接控制绕组电流的，但反应速度较慢。由于当前步进电机主要应用在需要精确定位的场合，这种特殊的要求导致了步进电机特殊的结构和控制方法。步进电机的控制是以步为单位的，每一步对应于转子在空间的一个定位位置、输入的一个脉冲、功率器件的一种开关状态组合或者说是最小的位置分辨率，步进电机的电机设计到控制思想都是围绕它展开的。在电机设计上，尽量突出齿槽效应以增加空间定位点，控制方法上从多相通电到微步驱动，一切都是为了增加空间定位点和定位精度。其中，微步驱动是开环控制中性能比较好的方案。5第1章绪论当前，随着应用领域的扩展和用户应用要求的提高，步进电机的发展趋势有这么几个：第一是步进电机本体的发展。如转矩体积比的提高。许多场合都对电机的体积、大小有严格的要求而转矩又不能下降，比如在办公设备中应用的一些步进电机，或者则是出于性价比的考虑有此要求。新材料的选用和设计上的优化是提高此项性能的好方法。步进电机性能、价格的平衡也是需要考虑的，五相电机性能好但价格较高，两相电机步距角大但价格便宜，通过一定方法可以提高其控制精度，也许会是未来主要的选用趋势。第二是驱动技术的发展。高压驱动配合小电感的步进电机将是未来的趋势，步进电机很大的一个弱点就是运行频带窄，在中高频时转矩下降很快，而现在很多应用场合除定位要求外也要求快速的中问运行过程。大电感的步进电机在一定驱动电压下电流上升慢，释放也慢，导致高频运行时电流在导通期间升不到设定值引起转矩下降。同样，低的驱动电压在高频时在扣除反电势后，所剩的值不足以提供足够的电流变化率，也使电流达不到设定值引起转矩下降，这样的下降是十分明显的。高压驱动配合小电感的步进电机则可大大拓展电机的有效运行范围。当前高压驱动主要缺点一是在于可靠性有待提高，二是在高压驱动下电机发热严重，通过铁芯材料的选用和电机结构的重新设计应可以缓和或解决这个问题。第三是控制技术的发展。如为解决步进电机振荡问题及提高输出转矩提出的电子阻尼技术(electronicdamping)等等。132数字化电机控制特点数字化电机控制是电机控制领域近年来新兴起的热点，这种提法是相对于传统基于模拟电路的电机控制而言的，它包括两重含义，一是电机模型的数字化表述，二是信号处理及控制算法的数字化。它的发展除和电机控制理论的发展有关外，还得益于大规模集成电路的发展，使它有可能得以实现。和传统电机控制相比较，数字化电机控制具有如下的特点。第一，可以构成经济节能，高性能的控制系统，符合当前环保节能的潮流。由于各类电机消耗了世界70左右的电力，所以，在能源普遍短缺的今天，高性能的电机控制方案是大势所趋。普通电机控制方式效率很低，使用数字化的电机控制后，才能实现许多较复杂但性能好的控制方案。6第1章绪论第二，可降低控制系统成本，提高竞争力。由于各种电机控制的具体应用中除性能以外往往对成本还有要求，比如在家电行业，而配合运算能力强的芯片如DSP等实现的数字化电机控制可实现无位置、速度传感器的电机控制方案，以软件上的支出代替了硬件成本，从而使总成本得到了控制。第三，灵活性。这不光体现在研发、调试中对算法及参数的调整比较容易，还表现在对环境、电机运行条件、参数变化或故障的适应性上。像当前的各种自适应算法，神经网络，人工智能方案等都是为了达到这个目的。同时，由于自60年代以来，随计算机和信息学科的飞速发展数字信号处理技术也得到了长足的发展，使用这些成熟的技术对信号数字化处理的灵活性也是模拟方案所难以达到的。第四，升级简单。可以根据需要通过改变软件算法和控制方便地进行系统的升级以最好的满足用户需要。14本论文的研究对象、研究内容和意义本论文所针对的步进电机是两相混合式步进电机，这种类型的电机除了具有步进频率高、反应速度快等优点外，更为重要的是还具有明显的零电流定位转矩，所以广泛应用于喷码机喷头的运动控制系统中。随着DSP(数字信号处理)技术的出现和发展，产生了DMC(数字电机控制)技术和多种先进、复杂的电机控制方式。形成了电机控制领域的一次新的技术浪潮。依靠DSP技术，结合步进电机的细分控制策略实现对两相混合式步进电机的高效控制是本课题研究的重点。利用先进的DSP微控制器TMS320F2812实现的步进电机数字控制系统与相应的单片机控制系统相比计算速度更快、数字计算能力更强、集成度更高也更加专业化，同时系统性能更稳定、有很高的性价比。本论文的研究内容是根据喷码机运动控制特点，利用TI公司生产的TMS320F2812DSP微控制器设计并实现两相混合式步进电机数字控制系统，完成细分控制等先进的控制算法，同时实现电机控制系统与上位计算机的通讯。具体设计内容包括：喷码机技术和步进电机控制技术发展状况介绍。7第1章绪论两相混合式步进电机电磁模型的分析。并在前人研究的基础上，考虑本相电流和邻相电流对相绕组电感的非线性影响及相绕组间的非线性互感，推导出更精确化的非线性动态方程。步进电机斩波驱动和细分驱动原理的阐述，并推导出细分驱动模型。步进电机数字控制系统的硬件设计。包括DSP微控制器、及外围电路、外设接口电路、电机绕组电流采样和反馈电路、过电流欠电压保护电路、电源管理与电平转换电路等电路的设计和实现。除此之外，基于L297和L298的电机功率驱动电路是本次设计的重点。步进电机数字控制系统的软件设计。包括主程序、DA转换程序、PWM信号产生程序、转速反馈程序、过电流保护中断程序、串行接口通讯程序等软件模块的设计和调试。除此之外，设计一个友好简介的喷码机控制人机交互界面也是设计的重点。15本章小结本章首先介绍了喷码机的发展与应用状况并指出了现阶段产品存在的问题和不足。然后详细介绍了广泛应用于喷码机运动控制系统的步进电机控制技术的发展状况。最后给出本文的研究内容和意义。8第2章混合式步进电动机工作原理及其动态第2章混合式步进电动机工作原理及其动态方程进电动机种类很多，本章对步进电动机的分类及其特点进行了介绍，针对比较常用的混合式步进电动机，对其工作原理及基本结构做了介绍，此基础上推导了非线性动态方程。21步进电动机特点1重点并在步进电机具有自身的特点，归纳起来有：(1)步进电机最大特征是能够简单的做到高精度的定位控制：以5相步进电机为例，其定位基本单位(分辨率或称步距角)为072。(整步)036。(半步)，是非常小的；停止定位精度误差皆在每步35以内，且无累积误差，故可达到高精度的定位控制。(2)位置及速度控制简便：步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。(3)可以直接进行开环控制：因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。(4)高可靠性：不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。(5)具定位保持力矩：永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。同时，步进电机也有自己的一些缺点：(1)步进电机带惯性负载的能力较差。(2)不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。(3)输出转矩随转速的升高而下降。9第2章混合式步进电动机工作原理及其动态(4)从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的振动，甚至失步导致无法工作，这就是步进电机的低频共振现象。一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危害。22步进电动机分类如前所述，步进电动机种类繁多，从结构特点进行分类可分三种：即VII型、PM型、FIB型和直线PM型(如表21所示)。表21步进电机分类旋转电机反应式步进电动机(VariableReluctance)永磁式步进电动机(PermanentMagnet)混合式步进电动机(Hybrid)直线电机VR型PM型HB型反应式步进电动机在结构上来说，定子上有多相绕组，定子磁极和转子开有小齿，定、转子铁心可做成单段式或多段式。其齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高。断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率大。永磁式步进电动机在结构上来说，定子上有多相绕组，但定子磁极上不开齿。转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每相的极数相同。其步距角较小，10第2章混合式步进电动机工作原理及其动态起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率小。混和式步进电机的转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式(HB型)最为普遍。23混合式步进电机的结构组成特点和工作原理231混合式步进电机的结构组成混合式步进电机是一种十分流行的步进电机。混合式步进电动机具有完全对称的结构，对提高它的整体性能很重要。结构上，它的定转子上开有很多齿槽，这与反应式步进电动机相似，磁路内含有永久磁钢，这与永磁式步进电动机相似；性能上，既具有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点，又具有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称混合式步进电机也称为永磁感应子式步进电动机，既可用作同步电动机进行速度控制，也可用作步进电机进行位置开环控制。1，产i艮、jilNSIlNS-_-、为ll2jb#l匕渭图21两相混合式步进电机的轴向结构第2章混合式步进电动机工作原理及其动态混合式步进电机由定子和转子两部分组成。常见的定子有4个极或8个极，极面上均匀分布一定数量的小齿，极上的线圈可以两个方向通电，形成A相与么相，B相与B相。它的转子也由圆圈上均匀分布一定数量小齿的两片齿片组成，两片齿片中间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢。同一段转子片子上的所有齿都具有同向极性，而两块不同段的转子片间的极性相反。电机的轴向结构如图21所示。转子被分为完全对称的两段，一段转子的磁力线沿转子表面呈放射形进入定子铁心，称为N极转子：另一段转子的磁力线沿定子表面穿过气隙回归到转子中去，称为S极转子。从轴向看，N极的转子和S极的转子的齿中心线并不一致，而是彼此错开了半个齿距。此外，N极与S极的转子构造完全相同。两相混合式步进电机的气隙磁动势有两种：一种是由永磁体产生的磁动势；另一种是由定子绕组产生的磁动势。在每一个具体的磁极下，这两种磁动势有时相加有时相减，随着交流绕组中通入的电流方向变化而变化。按照特定的时序激励，电机就可以沿顺时针或逆时针连续转动。232混合式步进电机工作原理混合式步进电动机的气隙磁动势由两部分组成：一是由永久磁铁产生的磁动势；二是由定子绕组产生的磁动势。在侮一个具体的磁极下，这两种磁动势有时相加，有时相减，随着交流绕组中通电的电流方向变化。转子上均匀分布着50个齿，按角度计算，定转子的齿宽和齿距严格相等。从电动机的某一端看，当定子的一个极上的小齿与转子的小齿轴线重合时，相邻极上的定转子的齿就错开月齿距。从II端看，极下定转子齿轴重合，2极下错开4齿距，3极下则定子齿与转子槽轴线重合。当转子上没有磁钢或定子绕组不通电时，电动机基本上不产生转矩，只有转子磁钢与定子磁势相互作用下，才产生电磁转矩。两相混合式步进电动机常见的通电方式有单四拍(AB一4一丑一A一)、双四拍(ABBAABBAAB)和八拍(ABBB彳一AABBBAAAB一)等。当定子各相绕组按AB一彳一B顺序通电，每改变一次通电状态，转子沿方向转过l傅齿距，即360。(50 x4)=18。转子的平衡12第2章混合式步进电动机工作原理及其动态位置为通电相定子磁极从绕组首端，沿绕组前进方向，第l、3磁极与转子II端齿轴线重合，第2、4磁极与转子II端槽轴线重合的位置。当定子绕组按双四拍和八拍通电时，每改变一次通电状态，转子分别转过18。和09。单相通电时，转子的平衡位置与单四拍运行相同通电状态下相同，两相通电时转子平衡1位置为相邻二同极性定子磁极分别和与之极性相反的一端转子齿错开+一三齿8距的位置。混合式步进电动机线圈电流产生的异极磁场作用子磁钢产生的单极磁场，改变了每极磁场的分布，使极间产生了磁位差，该磁位差随定子通电相序同步变化，它作用于气隙基波磁导产生转矩，实现电动机的步进运动。它以轴向磁场为基础，又受径向磁场的作用，是基于反应式的工作原理。由于混合式步进电动机是基于反应转矩工作的，因此可把它看作一台等效的反应式步进电动机，与反应式步进电动机的差别只是极齿下的磁势是异性磁势和单极磁势的合成。24混合式步进电机的动态方程m1M悯mm81混合式步进电动机是在低速直线同步电动机或永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的，应用发展己有约30年的历史。其中两相混合式步进电动机应用最为广泛，逐渐成为主流，其仿真模型的建立是对两相混合式步进电动机系统进行仿真分析和深入研究的主要基础。混合式步进电动机绕组供电情况及运行状态较为复杂，难以用解析法来分析其运行性能，实验研究和仿真方法特别受到重视。仿真模型逐渐成熟，但是由于两方面的原因，对仿真模型提出进一步精确化的要求。一是对混合式步进电动机运行性能指标要求的进一步提高，如运行平稳性等，使对仿真模型的精度的要求也相应提高：几是近代混合式步进电动机设计利用指标的提高，变得更饱和，磁系统非线性更严重，对绕组电感、电磁转矩、旋转电势等的非线性特性要求有更精确的描述。现有的模型，虽然在一定程度上考虑了磁系统的非线性，但仍较为近似，不够确切。例如对最典型的二相混合式步进电动机的电感来说，忽略了二相绕组间的互感；忽略了邻相电流的值对相绕组电感的影响；仅考虑自相电流的值对绕组电感的影响，还没给出相应的较为可靠的测试方法和较为确切的关系式。本文在前人研究的基础上，考虑本相电流和邻相电流对相绕组电感的非线第2章混合式步进电动机工作原理及其动态麓三之：乏：瓷c2=+I时，A(B)相电流引起A(B)相磁链的增量；、为A(B)相电流一定时，B(砷：c。Sf眈一齐血见Q2髯零：眨3，驴等等-z，啡鲁却施见I“一。耋二蓦差塞二霉a耋二霉耋二三二耋at二：二耋dtdtdtdtdtdtdtifdoedtdtdtdtdtdt二耋c24，a见a一4I，小盟=一一+坠堕+盟堕：k堕+玑堕+E。f一a9。葫B反A珊瑚。14第2章混合式步进电动机工作原理及其动态堕：堕亟+盟堕+盟丝：三di_A_a+M堕+E。l霉：雾霉+毒霉+喾垂=工害+M霉+纪5)盟：盟堕+盟生+盟丝=已堕+M丝。I“7出aiBdl8iAdl89em出dl(26)式(26)中UA、UB、为A相、B相绕组端电压；R为相绕组电阻。电磁功率在非线性系统中，不能简单地由旋转电压与电流的乘积来确定，应该为：e=4EAdiA+rEBdiB(27)相应地电磁转矩应为：疋=卫=乙+(28)笼曹khs呲in0眨9，=J式(29)中毛=k。=z，甲蛳通常称为转矩系数，是不饱和值。在线性情况下，一定的相绕组电流产生的电磁转矩与转角的关系-tip矩角特性是正弦波形，它的幅值与电流的比值即转矩系数是一个常数，且等于空载旋转电压系数。于是转子运动方程为：乃刁。一肋，一瓦一=，警=，窘(210)式(210)中为阻尼转矩系数；TL为负载转矩；TD为定位转矩；J为转动部分的惯量。转子运动方程转换成为：，害+D警+”inZ，p+轴in硼卅=o(2设A、B两相都流过恒定电流厶，转子的平衡位置在图22所示口=处也EE+机百以百MM+也百织百三三+b足尺=盟藏了+0bR尺=UU第2章混合式步进电动机工作原理及其动态就是两相极中心害。当转子从该平衡位置有一微小位移p(t)=o时，各相的电流和产生(t)和如(t)的变化，利用下式线性化：这时，图22两相都通电时转子平衡位置(212)sm即如(等嵋p)妇竿cos(Zp)+cos等siIl(z加)(213)在Z，口充分小时，认为cos(Z，臼)l，sm(Z，AO)-Z，AO。因此：sinZ恤iIl竽+Z，纸。s等(2-14)同理：s证z，(p一五)=s证z，(鲁+口一五)16秒的出出+名一2厶厶=秒L厶第2章混合式步进电动机工作原理及其动态一略(量一psin-Z-笋+ZAOcos等旺二甏嫠籀，的h6，t佤+瓴)s逾竽-zrcos降训一。注意到d等)西=。，并忽略无穷小量的乘积项，则线性化后的微分方，掣dt+。警啦z，2小。s(等9)眨，7，2前7”k2J，、一gAia+粤LdAia+膨季daisI乙血季ZrA李dAORAis爿眩讲讲一z讲I，1口、+三堕+膨堕一七，z，sin型丝：of“驯衍衍。72出J动方程及电压平衡方程，以t=o，矽=劈=量，IA=IB=Io为初始条件，用拉普拉L一厶=1南_(2J9)17第2章混合式步进电动机工作原理及其动态b2忡只m岛刮啦Z2佃s降晚一叫+ktsinz，五2Z，屯如竽G岛一只)2R+Lps(220)=0G陆鲁s2+(专+导+缈2，S+zR=-了D+(毒+毛2c22-，L厶-，厶厂L厶”夕”2可霸砩手而下FZ，旯刚n，一一k=矗乏2，2kZ，2小。s竿缈2=上式(221)表明为S的三次形，A、B两相的动态电流等大而异号，使得两相励磁时具有良好的阻尼特性。传递函数分母为零时，忽略粘滞摩擦阻尼的存在，即得粘性阻尼系数D为零时的特征方程为：s3厶R-S2+2(1+Kh声+iR缈。2=。(222)式中：晏一电气时间常数倒数：毛一电动机本身阻尼效应的系数。18第2章混合式步进电动机工作原理及其动态一无阻尼固有频率。式(222)表明该方程有一个实根和两个共扼复根，可写为：+1凇+)2+彩2】-0(223)当系统输入为单位阶跃时，耳pOo(S)=专，系统输出为：谚岱)=G(S)Oop)s2+(专+2)s+(专+K。2，。2。24，s卜RLh32+0+K糟+iR国soh-h：壁罂s主；=；j一刍：，+孟乙专226)枷s3+s：+2(1+毛声+尝2s6厶衰减余弦项是由两个共扼复根产生的，指数项是由实根产生的，比较两相，指数项衰减迅速且幅值较小，因而忽略。于是pO)=Ao+Be一厣cos(era一7)(227)p+口舾+)2+缈z】：s，+sz+z(1+如声+FRz(228)“hoh整理得口、国与系统参数R、L、毛、q间得关系为：19第2章混合式步进电动机工作原理及其动态口+=iR口2+缈2)=FR鸭2厶2+缈2+2aft=(1+如h2(229)图23是式(229)的图示，由图23可知，应当在适当的币R时候，取为最大值。对于大多数电动机来说，010千欧时，f-I069RC。当时钟振荡器脉冲使触发器置1，电机绕组相电流上升，采样电阻RS的电压上升到基准电压Urcf时，比较器翻转。使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来。这样，触发器输出是恒频的PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电流峰值由U佗f整定。CONTROL信号用以选择斩波信号控制。当它为低电平时，斩波信号作用于两个禁止信号，高电平时，斩波信号作用于A、B、C、D信号。前者适用于单极性工作方式，而对于双极性工作方式的电机，这两种控制方式都可以采用。利用L297的SYNC引脚可实现多个L297同步工作，其连接方式如图48所示，只将RC网络接于第一个芯片上，而其余芯片的OSC脚均接地，这样可避免接地杂波的引入问题。图48多个L297同步工作L298芯片是SGS公司生产的高电压、大电流双H桥功率集成电路，专门用于步进电机驱动，采用MulfiwaR塑料封装，15个引脚。L298内部由两组完全相同的全桥电路组成，每一个全桥电路又由四个相同的MOSFET管以及1几逻辑电路构成郾】。L298的输出端并联使用时，可使输出电流达到35A。图49是L298芯片的功能结构示意图。由于L299内部的两组桥式电路的结构是相同的，因此只给出了一组桥式电路的结构示意图。功率器件额定电压为46V；全桥额定电流为25A；标准开关频率为25KHz，最大开关频率为40KHZ。通过第4章系统硬件设计对逻辑电平输入端INl、IN2、IN3、IN4以及使能端ENA、ENB输入不同的T】几逻辑电平，就能开通不同的MOSFET，完成对电机绕组的正、反向的通电控制。而L298的1脚和15脚接到测流电阻上用来进行电流采样。L298内部需要两个不同的电源驱动Vss、VsVs是1几逻辑电平的驱动电源，接+5V；Vs是功率器件驱动电源，额定电压为46V。这两个电源是不相关的，互不干扰。图49L298芯片内部结构方框图D每个L298芯片可以驱动两相绕组，每相绕组电流可达25A，也可将L298的两路输出输入并联，当用一片L298芯片驱动一相电机绕组时，需要把使能端ENA、ENB并联；输出端OUTl与OUT4并联，OUT2与OUT3并联，输入端INl与IN4并联，IN2与IN3并联，用一片L298芯片驱动一相绕组，驱动电流可达35A，可驱动更大功率的步进电机。4322驱动电路的设计一般说来，基于L297和L298的驱动电路可以实现步进电机的二分驱动，即让步进电机工作在半步状态。本课题中创造性的使用两片L297和一片L298配合，每一片L297只驱动两项步进电机的一项电流。每一片L297的参考电45第4章系统硬件设计压U他f与DA转换输出相连。这样，步进电机的两相电流的输出完全由DSP控制。DSP向两片L297发出时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制等信号。由于L297内部带有斩波恒流电路，绕组相电流峰值由Uref确定。当采用两片L297通过L298分别驱动步进电机的两绕组，且通过DA转换器改变每相绕组的Urcf时，即组成了步进电机细分驱动电路(如图44)。第一片L297的A、B两相输出与L298芯片的IUPUTl、2相连，第二片L297的C、D两相输出与L298的IUPUT3、4相连，分别控制步进电机的两相电流。在OSC引脚上电容C21取33nF，电阻Rsl取22Kf2。除了U佗f外，两片L297芯片的各引脚的连接相同，以实现工作同步。L297的RESET引脚设置为上电复位，每次通电后，两片L297芯片会自动复位。步进电机的控制性能，与各相绕组的接通和断电时电流的增加和衰减的速度有关。对于电机加速度高、或者运行速度高时，由于绕组电感的作用，电流经常不能立即升到额定值，同样，在绕组断电时，电流也不能立即衰减到零。可见，除了对电动机提供导通回路外，还必须提供一个绕组断电时的续流回路。肖特基二极管IN5822额定整流电流3A，反向击穿电压40V，恢复时间10ns，在这里用作续流二极管。这样既能保证电流谐放的速度，同时又能抑制电感电势，以保护晶体二极管免受感应电势峰值的冲击。电路中Rs2、Rs3为05Q5W的精密电阻，用来调节斩波器电路的参考电压，该电压将通过L297管脚13、14所反馈的电位的大小比较，来确定是否进行斩波控制，以达到控制电机绕组电流峰值、保护步进电机的目的。第4章系统硬件设计图44基于L297和L298的细分驱动电路4330A转换模块设计在步进电机的细分驱动中，控制斩波时刻绕组电流峰值Unf由DA转换器实时转换来自DSPFlash的电压数据，实现L297参考电压的阶梯形变化，从而实现电机的细分控制。本课题采用MAX5741作为DA转换器。MAX5741是一个10位4路串行低功耗模数转换芯片1291。高达20MHZ的时钟频率，3线输人，能够兼容SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP的串行接1：3，大大的节省了电路板的空间并大大的降低了电路的复杂程度。它主要由以下几个部分组成：一个输人逻辑控制器和移位寄存器，接受串行输人的2进制数。它可以输出到睡眠控制器和输人控制器。47第4章系统硬件设计一个睡眠模式逻辑控制器，控制睡眠状态，即控制输出电阻网络。4个输入和DAC寄存器。4个10位DAC转换器。4个输出缓冲放大器。4组电阻网络。可由软件编程得到睡眠模式下的三种输出电阻：1K，100K，高阻。MAX5741兼容了SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP的串行接口。而DSP2812器件的SPI是一个高速、同步串行IO口，它允许长度可编程的串行位流(116位)以可编程的位传输速度移人或者移出器件。利用DSP2812的SPI(IO)IEl与MAX5741构成的DAC电路。MAX5741的DIN接到了DSP2812的SPISIMO脚。这是DSP2812的SPI从动输入主动输出引脚。我们通过软件编程模式使得DSP的SPI工作在主动模式。MAX5741的SCLK接到了DSP2812的SPICLK脚。这是DSP2812的SPI串行时钟引脚。我们可以通过软件编程设置时钟的波特率。最高可以设置到75M。通过这个引脚，我们就可以利用SPI的时钟作为MAX5741的时钟，而不必利用软件来模仿他的时序，使得程序变得简单。MAX5741的CS接到了DSP2812的IOPC5脚，我们可以通过软件来模仿CS的时序。MAX5741实时的把来自ROM的电压数字量转化为模拟电压，电压通过滤波放大之后，传送到U托f引脚上。电路如图45所示。图45MAX5741连接图第4章系统硬件设计434接口电路的设计在TMS320LF2812DSP微处理器内部集成了众多的外设模块，只要添加较少的外围电路，就能设计出各种接口电路，实现通讯、程序下载等功能。首先，控制器通过JTAG接口与XDS510EPP仿真器相连，由于DSP微处理器内已经集成了JTAG仿真和测试模块，所以JTAG接口的设计比较简单，将DSP微处理器的八条JTAG仿真和测试引脚引出即可。RS232是由美国电子工业协会(E认)正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气方面的规定和机械方面的规定，适用于短距离或带调制解调器的通信场合。该标准的目的是定义数据终端设备。控制器通过遵守RS232协议的串行通讯接口与上位计算机实现串行通讯。其接口硬件设计如图410。其中芯片MAX232A是Maxim公司生产的多通道RS232收发器。电解电容C51、C52、C53、C54为MAX232A四个通道的去祸电容。电阻R33，R55为分压电阻，通过这两个电阻的分压使MAX232A9脚输出的串行通讯接收信号幅值下降到DSP微处理器可以接受的范围。二极管D22与电阻R34一起构成一个简单的升压电路，使DSP微处理器输出的串行通讯发送信号的幅值上升为MAX232A的正常逻辑电平。Vfr435光耦隔离电路图46SCI串行接口电路49第4章系统硬件设计在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过DSP的IO输出，而Io的驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，需加接驱动接口电路，为避免DSP受到干扰，须采取隔离措施。如晶闸管所在的主电路一般是复杂回路，电压较高，电流较大，不宜与DSP直接相连，可应用于光耦合器将DSP控制信号与其他电路进行隔离电路。如本文中从DSP控制器所输出的是PWM脉冲数字信号，它的驱动能力较弱，不能完成对步进电机的驱动运行。同时，为了提高电路的抗干扰能力，防止步进电机模拟信号对数字脉冲信号的干扰，在驱动电路之前设计了一个光电隔离器件。本系统中步进电机驱动电路采用了Toshiba公司生产的TLP521-4型光电隔离芯片TLP521(内部原理如图411所示)。TLP521是开关型器件，它的耐压值为55V，最高输入电压VCC可达24V，典型值为5V。其开关特性如图412所示(测试条件：VCC=5V，RI=I9kf2)，上升时间为2ps，关断延迟时间为15us，关断下降时间为10ps，关断时间为254s。图47光耦内部原理436过流反馈电路Vcc、，cE!E厂ts、Vce。rL乍瓦一Z0【一h。