毕业设计（论文）-基于DSP的两相混合式步进电机的研究.doc

摘 要两相混合式步进电动机具有成本低、驱动电路简单的优点，是大量应用于工业控制中的一种电机。随着近年来功率电子器件和高速微处理器的飞速发展，电机控制技术正朝着全数字化的方向发展。因此，本文对两相混合式步进电机的研究在全数字化方向有着十分重要的理论与现实意义。本文首先介绍了步进电机系统的历史背景，并对步进电机驱动方式的发展状况进行简单阐述。针对传统步进电机内置细分策略，本文设计了一种独特的低速高内置细分、高速低细分的控制策略。外部细分数定为1000，内部实际运行的是50000细分；中速时，由DSP自动跳过其无法计算到的细分点；高速时，让步进电机运行在整步状态下，使步进电机高速有较快的响应，并有较大的动态转矩。硬件方面，本文介绍了基于DSP的两相混合式步进电机驱动器的详细设计方案。本系统采用德州仪器出品的TMS320F28035型号DSP作为核心控制器件，根据主电路和控制芯片TMS320F28035的特点分别设计了DSP的资源与外围电路、H桥拓扑结构和驱动电路、隔离电路、电流反馈电路、过压欠压和过流保护电路，完成整套DSP控制平台的搭建。软件方面，着重对开环细分控制的系统软件进行设计。其中包括数字PID算法设计、产生PWM程序、电流采样程序、内置细分程序等。最后对两相混合式步进电机驱动系统进行了测试分析，实验结果表明内置细分控制方法可行，并相比于传统细分控制方法其具有更高的精度、更大的动态转矩、更快的响应速度。关键词：步进电机，DSP，内置细分，PID算法AbstractTwo phase hybrid stepping motor is a kind of motor which is widely used in the industrial control. The two phase hybrid stepping motor costs low and has the advantages of simple circuit of the drive. With the rapid development of microprocessor and power electronics, motor control technology is moving towards fully digital direction. Therefore, there is a very important practical significance for digital research of two phase hybrid stepping motor driver.This paper first introduces the historical background of step motor system, and the stepping motor driving development mode are briefly described. In view of the traditional stepper motor built-in segmentation strategy, control strategy is designed a unique built-in high speed and low speed and high subdivision, subdivision. Number of external segments is set to 1000, the actual operation of the internal is 50000 subdivision; speed, by DSP automatically skip the cannot be calculated to the subdivision point; high speed, concessions into the motor running in full step state, step into high speed motor has faster response and larger dynamic torque.In terms of hardware, this paper introduces the detailed design scheme of two-phase hybrid stepper motor DSP driver based on. The system uses Texas Instruments produced tms320f28035 types of DSP as the core control device, according to the characteristics of the main circuit and control chip tms320f28035 were designed the resource of DSP and peripheral circuit, H-bridge topology and driver circuit, isolation circuit, current feedback circuit, over pressure and under voltage and over current protection circuit, complete set of DSP control platform structures.Software, focusing on the open loop subdivision control system software design. Including digital PID algorithm design, generating PWM program, current sampling procedures, built-in segmentation procedures, etc.Finally the two-phase hybrid step motor drive system were tested and analyzed. The experimental results show that subdivision of built-in control method is feasible, and compared to the traditional subdivision control method has higher accuracy, greater dynamic torque, faster response speed.Keywords：Stepper motor, DSP, built in subdivision, PID algorithm目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 引言11.2 步进电机系统简介11.3 步进电机研究背景与发展趋势21.3.1 步进电机的发展历史21.3.2 步进电机驱动方法的发展现状21.3.3 步进电机系统相关技术的发展趋势31.4 本课题的意义51.5 本课题研究的主要内容5第2章 混合式步进电机的结构和运行原理72.1 混合式步进电机的结构72.2 低频振荡解决的方法82.3 细分驱动原理92.4 两相电压SPWM输出的实现112.4.1 两相混合式步进电机细分控制系统的结构112.4.2 基于SIMULINK的两相混合式步进电机细分控制仿真122.4.3 基于DSP的两相混合式步进电机细分的实现142.5 内置细分控制策略14第3章 混合式步进电机驱动器硬件设计163.1 硬件整体结构163.2 电源解决方案163.3 DSP控制平台183.4 功率驱动电路183.4.1 驱动电路分析183.4.2 高端侧悬浮驱动的自举原理193.4.3 H型单极模式倍频可逆PWM控制203.5 电流采样、反馈电路223.6 保护电路233.6.1 光耦隔离电路233.6.2 过压、欠压和过流保护电路243.7 外部接口电路25第4章 控制系统软件的设计264.1 开发环境简介264.2 开环细分控制的系统软件设计274.2.1 ADC转换程序的设计294.2.2 PWM产生程序的设计304.2.3 eCAP捕获程序设计324.2.4 数字PID算法334.2.5 电流采样程序设计354.2.6 内置细分程序设计35第5章 系统实验测试与分析375.1 系统测试平台简介34375.2 测试结果与分析38第6章 总结与展望41参考文献42附 录44致 谢46IV第1章 绪 论1.1 引言步进电机是可以把电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机有以下优点：（1）过载性好，电机的转速不会受到负载量大小的影响。（2）步进电机的动态响应非常快，容易起停、发生正反转以及变速。（3）控制方便、成本低廉，步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，给计算机控制带来了很大的方便。反过来，计算机的发展也为步进电机开辟了更为广阔的应用市场。（4）无累积误差，在不失步的前提下步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，具有良好的跟随性1。基于以上步进电机的优点，步进电机在如雕刻机、打印机、打标机、数码相机、绘图仪、自动零售机、钟表等机械、仪表、办公自动化等领域得到最广泛的应用2。1.2 步进电机系统简介步进电机不能直接接到交直流电源上工作，必须在连接时使用步进电机驱动器。因此换句话就是说一个步进电机系统性能的好坏，很大程度上又取决于步进电机驱动器的优劣。如图1-1所示为步进电机系统的结构图。首先控制器是负责发送控制脉冲与方向信号，步进电机驱动器的作用则是将控制信号的脉冲转化为驱动步进电机的信号，类似放大器的作用，步进电机接受到驱动信号后转动相应的角度。控制器步进电机驱动器步进电机图1-1 步进电机系统结构图1.3 步进电机研究背景与发展趋势1.3.1 步进电机的发展历史步进电机的机理是基于最基本的电磁作用，初始的步进电机模型源于1830年至1870年间，步进电机依靠最基本的电磁力发生作用。直到1870年前后逐步尝试控制步进电机的时候，开始将步进电机应用于氩弧灯的电机输送机构中，这就被人们认为是历史上最原始的步进电机。我国对于步进电机的研究开始于20世纪50年代后期。在1958年就已经研制出反应式步进电动机，并开始应用于数控机床。70年代初期，步进电机进入了发展的黄金期。我国对于步进电机驱动器的设计拥有了自己先进的技术经验，并且随着对步进电机驱动器研究的深入，逐渐对反应式步进电机的研究有了更高的造诣。随后到70年代中期至80年代中期，这将近100年的时间段为步进电机驱动器的产品发展阶段。与此同时，混合式的步进电机开始崭露头角，并且随着我国各种对于步进电机研究的更加深入，各种高性能的电动机不断的出现在人们的视野。上世纪80年代以来，我国的研究人员对步进电机精确模型大量研究表明，各种混合式步进电机及驱动器已经成熟，并且将作为先进的技术产品被广泛利用到研究领域中3。1.3.2 步进电机驱动方法的发展现状在高校和企业科研工作的推进下，步进电机的控制技术也得到了飞速的发展。主要的步进电机控制技术方法如下所述。（1）开环控制开环控制是步进电机应用最早的、最主流的驱动控制方法。开环控制系统指不带编码器，无位置与速度反馈的步进电机系统，步进电机速度由外部脉冲频率决定。开环控制主要问题在于误差与振荡，误差主要包括转换误差、传动误差、传递误差等，很难达到非常精确的位置控制。（2）升频升压控制升频升压控制技术也是较为主流的驱动控制方法，主要是指通过利用物理的降压式变换电路方法，促使电机绕组上的电压根据电机运行频率的变化而变化，进而使绕组电流和动态电磁转矩基本保持不变。也就是说这种升频升压控制的方法主要是依靠电机的运行频率来调节电机的电压，进而达到控制电机的办法。通过这种方法在电机低速运行时，可以尽量的保持相应的电压低频率震动模式，有效的调节并控制步进电机的高效率低频性能4。（3）恒流斩波控制恒流斩波驱动是指硬件上通过采样电流与参考电流的比较值决定驱动电路的导通与关断，而没有固定的频率。这种新式驱动方式主要采用PWM逆变技术，利用这种技术使电流在锁定、低频以及高频阶段模式下都可以保持相对的稳定，这种驱动方式是目前的主流步进电机控制技术。（4）细分控制细分驱动是指由于零电流到最大相电流之间会有多个中间状态，而我们将零电流与最大相电流之间的这种间距细分为若干步的方法。在细分驱动控制下，由于是将电流根据电流的大小分为若干种中间状态，因此步进电机具有更小的步距角，更高的分辨率，因此可以有效的减小电机振动，减弱电机运转过程中的噪音。（5）闭环控制闭环控制是指通过引入位置、速度反馈的不同所应用的控制方式。闭环控制利用其独特的模式将恒流斩波控制、细分控制、矢量控制等模式系统的结合起来，进而在多种控制模式下达到对步进电机的电流、速度、位置的精确控制5。典型的闭环控制系统结构由电流环、速度环、位置环三环构成，如图1-2所示。图1-2 闭环控制系统结构图1.3.3 步进电机系统相关技术的发展趋势随着微处理器技术、微电子技术和现代电力电子技术的飞速发展，步进电机驱动系统的运行也逐渐完善起来，步进电机系统的各项主要性能不断提升。在不断的发展过程中，步进电机系统具有了数字化、微型化、集成化等特点。（1）永磁材料步进电机作为控制系统的执行原件，电磁转矩是最重要的指标之一。永磁材料的特性是影响混合式步进电机转矩指标的重要因素，随着现代制造步进电机的工艺的发展，也逐渐使得步进电机的性能得到提升6。（2）电力电子器件的发展电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和驱动电路方面的功率电子器件。电力电子技术是应用功率半导体器件对电能进行变换和控制的技术，其中电力电子技术的有力基础是功率半导体器件。而在以功率半导体器件为核心的电力电子装置中，器件所占的价值虽然只有装置总价值的四分之一左右，但器件的性能对整个装置的各项技术指标和性能有着极大的影响。电力电子器件按照可控程度来划分，可分为不可控型器件、半控型器件、全控型器件及模块化器件7。第一阶段以硅晶闸管（SCR）的问世，标志着电力电子技术的诞生。第二阶段是以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的卓越发展阶段。这些器件可以通过控制导通和关断，提高开关控制的灵活性与高效率。第三阶段是主要的发展阶段。凭借以IGBT复合型器件驱动功率小，开关速度快为代表优点，引导电力电子器件为应用技术的主导器件。第四阶段是以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。这一发展阶段最终有效的实现了器件与电路、强电与弱电之间的高效率集成，成为机电一体化的基础单元8。（3）集成电路与微处理器的发展随着集成电路的飞速发展，各大公司也相继推出针对步进电机驱动的专用驱动1C（Integrated circuit）如UC3770、MC3479、L298、PBD3517、AN1307等等。不同的专用1C针对不同类型的步进电机做简单的控制，灵活性与控制精度都有局限。步进电机换句话说其实其本质就是离散型自动化执行元件，而相对于专用1C而言，我们可以利用单片机，将其制作为更复杂的控制算法，控制效果更佳，控制精度更高。市场上单片机的价格较低，降低了整个步进电机驱动器的成本。也即是说，目前的市场上，基于单片机的步进电机控制系统是现代市场的主流。DSP（数字信号处理器）可以对步进电机进行全数字的控制，内部集成了脉宽调制（ePWM）、A/D采样（ADC）、捕获（eCAP）等电机控制所必须模块。相对于基于单片机的控制方案，基于DSP的步进电机驱动器节省了如A/D芯片、比较器、PWM产生及环形分配器等器件，所以基于DSP的步进电机驱动器在成本上并不会高出基于单片机的步进电机驱动器。DSP凭借其极高的运算速度、超高的性价比以及舒适的开发环境逐渐超过单片机成为步进电机控制领域的主力军。1.4 本课题的意义虽然混合式步进电机有许多的优点，但是仍然无法摆脱其低频振荡的问题。细分驱动是解决步进电机低频振荡最常用的方法，细分驱动技术能够有效减小过冲和低频振荡的问题，提高控制精度。理论上，越高的细分数越能够降低振荡程度，并且有更高的分辨率。但细分数是否能无限高呢？答案是否定的，高细分的控制方法有其局限性：第一，细分数会受到电子元器件开关频率的限制，若细分数超过开关频率，则多出的细分数没有意义；第二，高的细分数只会对低速时步进电机的运行进行改善，高速时，再高的细分数都没有意义还会影响电机转矩的输出；第三，驱动器一般都用光耦来隔离外部控制脉冲，通用的光耦频率一般不会超过300KHZ。假设设定50000细分，外部控制脉冲为300KHZ，转速才为360转/分，这无法满足大多数工业设备的需求。第一个问题只有通过使用更高开关频率的电力电子器件来解决，但高频率的电力电子器件价格昂贵，设计两相混合式步进电机驱动器必须考虑性价比的问题。对于第二和第三个问题，本文提出一种内置细分的方法，外部按照5000细分来给控制脉冲，而内部实际上运行的是50000细分，解决了外部无法提供高频率的控制脉冲的问题。当步进电机速度超过600转/分时，高细分控制的步进电机输出转矩会下降很厉害，甚至无法高速运行，出现失步的情况。本文采用高速切换细分数的策略来解决此问题。基于单片机的步进电机控制系统需要用到比较器产生PWM的基波、用运算放大器构成模拟的微积分调节电路、用硬件实现环形分配、数模转换电路等相关功能。硬件电路复杂，开发周期长，可移植可扩展性不强。本文采用DSP实现全数字的控制方案，依靠DSP强大的运算能力、多功能的内置模块、灵活的编程方式，完成了两相混合式步进电机控制的新策略。1.5 本课题研究的主要内容本文意在研制一套全数字两相混合式步进电机驱动器，对步进电机控制新策略进行阐述、分析与研究，文章的结构做如下安排：第一章阐述本课题的背景，介绍整个步进电机系统结构。进而对步进电机驱动技术的历史、发展及发展趋势进行综述。第二章介绍混合式步进电机的结构，对其运行原理进行分析。解析其缺陷并且提出解决缺陷的方法。分析细分控制的理论依据，提出两相SPWM实现的方法，并给出相应的仿真结果。在此基础上，最后阐述自己所设计的内置细分的控制新策略，并给出具体实现方案。第三章介绍了基于DSP的两相混合式步进电机驱动器的硬件设计方案，包括DSP的资源与外围电路、H桥拓扑结构和驱动电路、隔离电路、电流反馈电路、过压欠压和过流保护电路。第四章结合了硬件部分的设计，着重对驱动器软件部分进行了设计。包括数字PID算法设计、产生PWM程序、电流采样程序、内置细分程序等。第五章对两相混合式步进电机驱动系统各个环节、软硬件进行了全面的实验、分析与记录。第六章为最后一章，对全文所做的科研工作进行一个总结并提出一些问题，最后作出一些展望。第2章 混合式步进电机的结构和运行原理2.1 混合式步进电机的结构按照步进电机的工作原理分类，步进电机可分为反应式、永磁式、混合式三种。所谓反应式步进电机是指，由转子铁芯用硅钢片或软磁性材料做成，没有励磁绕组；永磁式步进电机是指用磁性磁铁做成，没有励磁绕组；而混合式步进电机则充分有效结合了永磁式步进电机和反应式步进电机两者的优点，它的步距角小、出力大、动态性能好，是目前性能最高的步进电机。混合式步进电机的定子铁芯的结构与反应式步进电机非常接近，如图2-1所示。图2-1 混合式步进电机转子结构混合式步进电机最有效的特点便是其转子的结构。混合式步进电机转子由环形磁钢和两段铁芯组成，两段铁芯分别装在磁钢的两端，环形磁钢大概位于转子中部。图2-2 混合式步进电机转子结构如图2-2所示，这是一个二相步进电机的转子。并且如图2-3所示可以看出，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，但是定转子的齿距和齿宽却相同9。图2-3 三相混合式步进电机平面图2.2 低频振荡解决的方法低频震荡是指当控制脉冲的频率接近自由震荡的频率时发生的振荡模式。所谓步进电机的低频振荡是指由于电机的转子运转达到稳定平衡位置时所具有多余的动能。但是不可否认的是，低频振荡是阻碍步进电机发展所固有的障碍，主要表现为电机运行的不平稳，噪音增大等不利现象11。此外，不容忽视的一个重要的原因是，谐波电磁转矩的存在也是步进电机发展过程中产生高频振荡的另外一个主要原因之一12。但是碍于步进电机运行的特殊原理，想要完全消除步进电机的振荡是完全不可能的13。但是要想一直不仅电机的进一步振荡，我们也只能不断的采取新的办法一直步进电机的振荡。抑制步进电机振荡的方法主要有以下几种：第一种就是采用细分控制的方式，利用排列顺序适当的在控制范围内增加细分数；第二种就是阻尼法；第三种也就是前文中提到的采用位置和速度闭环控制的控制方法。本文主要研究一种新的内置细分策略，能比普通细分控制方法更好地抑制步进电机的低频振荡。2.3 细分驱动原理步进电机的细分控制主要是指通过对励磁绕组中电流的控制，使电机内部已经合成的磁场再次分为均匀的圆型旋转磁场，进而实现对步距角的细分；细分驱动也就是说指通过逐步改变各绕组的电流大小或者方向，使电机内的空间合成磁场逐步改变，使电流波形成为阶梯波形状，绕组通电方式细化成很多个中间过程的细分驱动办法14。细分驱动的意义就在于：（1）在不改变电机结构与内部参数的情况下，使步距角减小，即提高分辨率和步距精度。（2）改善低频振荡问题。为了更方便统计以及更详细的计量，我们在计算电磁转矩时特意将定子线圈的自感看做一个不变的常量15。这样两相混合式步进电机两相通电的转矩可以表示为 （2-1）其中为 （2-2）混合式步进电机转子齿数励磁电流永磁体内部磁压降系数每级绕组匝数磁导基波分量混合式步进电机的矩角特性符合正弦曲线特性，如图2-4所示。图2-4 步进电机的矩角特性曲线当我们在两相绕组中加以如下相角关系的电流。 （2-3）式中 为电机轴预设电角度，n为细分数。假设细分数,。驱动工作正处于整步状态时，每当控制器发生一个脉冲，电机转动一个固有步距角1.8如图2-5（a）所示；驱动工作在1000细分驱动状态时，电机只转了0.36。拟正余弦波形如图2-5（b）所示，这就是细分的基本概念。图2-5 1000细分状态下的A、B两拟电流波形将（2-1）式带入（2-3）式后有 （2-4）根据表达式（2-4），两相混合式步进电机可以作为一台多级两相永磁同步电机分析，向两相混合式步进电机中分别通入正余弦电流则可使得电机均匀旋转1516。根据表达式（2-3），和分别为A、B两相电流；为电流幅值；为转子偏离参考点的角度。则合成电流矢量为： （2-5）这是一个以为幅值，为幅角的矢量。当发生变化时，合成电流矢量转过了一个相应的角度，幅值大小肯定会保持不变。进而从上述公式可以看出，为了使控制电流可以按照正弦规律规则变化，那么就会更加容易的实现恒力矩、均匀步距角的细分驱动17。(a)整步驱动 (b)细分驱动图2-6 两相混合式步进电机转矩矢量图图2-6（a）显示的是整歩驱动时，电机的转矩矢量图；而图2-6（b）所示的是1000细分时，步进电机的转矩矢量图。由图可见，细分后电磁转矩也得到了恒幅均匀旋转。通过以上分析，细分数提高后，电机每一个微歩变的更小，转一圈需要更多的步数。这样以来步进电机的分辨率变高，提高了控制精度，同时也减小了电机转矩波动，降低了运动噪音18。2.4 两相电压SPWM输出的实现2.4.1 两相混合式步进电机细分控制系统的结构控制电机两相绕组的电流是两相混合式步进电机细分控制的核心，使其输出正弦的电流波形。本文采用电流跟踪法，其根本的控制方法可以概述为，既定符合条件的两相正弦电流信号和，并与电流传感器实测的两相实际输出电流信号和相比较，通过，和，二者的差值来控制PWM逆变器的相应功率，进而达到控制两相电流的目的，系统结构如图（2-7）所示19。电流给定信号电流控制器+-电机PWM发生器两相H桥负载电流传感器图2-7 两相混合式步进电机细分控制系统结构图2.4.2 基于SIMULINK的两相混合式步进电机细分控制仿真Matlab是MathWorks公司开发的用于数学计算的工具软件，主要用于算法开发、数据分析以及数值分析，主要包含Matlab和Simulink两部分组成，主要包括专门用于电力电子与电气传动仿真的电气系统模块库，在本仿真中，我们首先需要构造两相H桥的逆变电路，如图（2-8）所示。图2-8 两相步进电机的H桥驱动电路仿真中的开关器件用的是MosFET,载波频率为20KHZ，驱动电压为50V，均与实际条件靠近。电流环的构造如图（2-9）。In1为参考电流输入，In2为实际电流的反馈。两者的差值经过一个PID的限幅控制器去调整输出信号的占空比，此为PWM控制方法。PWM的输出给到H桥驱动电路MosFET的基极以控制MosFET的导通与关断，使实际电流很好地跟踪参考电流20。图2-9 电流环结构整个两相混合式步进电机细分控制仿真结构如图2-10所示，电流环模块集成在CurrentLoop_A和CurrentLoop_B模块中，H桥驱动模块集成在Drive模块中。当给定幅值1A，频率100HZ的正弦电流给定信号时，由示波器得到如图2-11所示的脉宽调制图，如图2-12所示的步进电机电流波形图21。图2-10 整体控制仿真结构图图2-11 脉宽调制图图2-12 步进电机两相仿真电流图2.4.3 基于DSP的两相混合式步进电机细分的实现基于DSP的全数字实现细分驱动的方案也在被研究中，结构框图如图2-13所示。控制器发送脉冲与方向信号，脉冲的个数决定了电机的位置，脉冲的频率决定了电机的速度。经过DSP中细分控制函数的处理，分别与DSP的ADC模块采样得到的实际两相电流值相减，差值同过PID环节调制，得到调制值与三角载波比较，由ePWM模块产生PWM信号控制功率管的开通与关断，达到控制A、B两相电流的作用22。DSP方向信号控制器脉冲信号细分控制函数PID+-PWMH桥驱动与功率电路+-PIDPWMMA相电流采样信号B相电流采样信号图2-13 基于DSP的步进电机驱动结构图2.5 内置细分控制策略理论上细分越高，步距角越小、精度越高、控制效果越好。但实际中细分数不可能无限高，主要受以下几方面的限制：（1）MOS管开关频率如果按照20KHZ的MOS管开关频率，驱动MOS管的PWM波频率最高为20KHZ，即离散点的步长最小为50us。若细分数为50000，步进电机转一圈需要给50000个脉冲。系统每过50us才能给出一个离散计算点，若要给出50000个点需要耗时2.5s，此时电机转速为0.4转/秒，即24转/分。意思是在细分数为50000的情况下，若电机的转速超过24转/分，调制的PWM波会自动跳过很多细分点，多余的细分点就会变的没有意义。现实中，大多数应用场合对步进电机的要求远远超过24转/分，因此过大的细分数没有任何意义。如果购买开关频率更高的功率器件，会使驱动器成本大大身高，性价比降低，使其在市场上丧失其竞争的优势。因此本文将最大细分数定为50000,高细分数只对低速运行时的步进电机有明显的改善和提高效果。（2）光耦的影响理想情况下，HCPL-2531快速光耦的频率为1MHZ。但实际中一般不会持续让光耦工作在超过300KHZ的状态下，高速的脉冲频率对光耦损耗很大，使其寿命大大降低。本文步进电机驱动器采用内置50000细分，若外部控制脉冲为300KHZ，转速才为360转/分，这无法满足大多数工业设备的需求。（3）控制器的限制在很多场合，用户都将步进电机驱动器用做简单的运动控制（如雕刻机、打印机），因此都只有配备较低端、廉价的控制器，这类控制器大多由单片机构成，也给不了很高的控制脉冲频率。内置细分策略的实际意义在于，不改变其运行条件、不增加驱动器硬件成本的情况下，依然让步进电机工作在高细分状态（50000细分），当然只针对低速运行的步进电机。高细分的控制策略会影响步进电机高速运行的状况，主要会产生如下两种状况：电机速度上不去，并很大几率出现失步的状况；速度上去了，但是电机没有力（动态转矩很小）；电机响应慢，加速特性差。针对这个情况，本设计采用了独特的低速高内置细分、高速低细分的控制策略。本文将外部细分数定为1000（大多数控制器都可满足），即外面按照1000细分数来给脉冲，而低速时（小于24转/分），内部实际运行的是50000细分；中速时，由DSP自动跳过其无法计算到的细分点，就算如此还是能保证步进电机实际运行的细分数远远大于其外部细分数1000；高速时（大于600转/分），让步进电机运行在整步状态下，使步进电机高速有较快的响应，并有较大的动态转矩。第3章 混合式步进电机驱动器硬件设计3.1 硬件整体结构本系统采用德州仪器出品的TMS320F28035型号DSP作为核心控制器件，通过增强脉宽调制模块（ePWM）、增强捕获单元模块（eCAP）、模/数转换模块（ADC）完成两相混合式步进电机驱动器的主要功能。系统的硬件总体结构如图3-1所示。 DSP过压欠压保护电源模块控制器ECAP内置细分控制函数通信接口EPWM功率驱动ADC滤波放大过流保护电流采样M图3-1 两相混合式步进电机系统框图DSP通过JTAG口与SEED-SD510仿真器连接到个人电脑上，通过CCS3.0对整个程序进行编写与调试。系统的硬件主要包括以下几个模块：电源管理模块，负责给各电子元器件提供电压；DSP微处理器最小系统；电机功率驱动电路；电机绕组电流采样、反馈电路；硬件保护电路，包括过压、欠压和过流保护；外部接口电路，包括SCI串口通信、JTAG接口。3.2 电源解决方案本系统需要以下几种电源值：24V到60V功率驱动电压，用来驱动两相混合式步进电机； 13V驱动芯片IR2104S供电电压； 8V电压转换芯片REG1117-3.3供电电压；5V运算放大器供电电压3.3VDSP供电电压、外围所有数字电路供电电压。虽然同时存在模拟电路与数字电路，但硬件系统仍采用无隔离的方式。减少光耦的个数可以大大降低整个电路的功耗，同时降低了成本。电流采样部分用钳位电路将电流限制在0到3.3V之间，并且有一层运算放大器作为隔离，无需再多加光耦隔离。在PCB线路设计时，将数字与模拟部分尽量隔开，可以解决信号干扰的问题。电源模块采用的是Fairchild Semiconductor公司生产的开关电源控制器UC3844，整个电源模块如图3-2所示。图3-2 驱动器电源模板UC3844系列是高性能固定频率电流模式控制器，专为DC to DC变换器应用而设计。如图3-2所示，将AC交流电压通过整流桥整流和大电容滤波后变成直流电压V+（24V到60V），给UC3844供电。UC3844的6管脚输出PWM波形驱动MOS管（IRF220U）的开通与关断，使变压器得以工作，产生了VDD1和VDD2两个电压。再将VDD1的值通过Rl、R2两个电阻的分压后，将采样电压输入到UC3844的管脚2。管脚2的电压值决定了管脚6的PWM波输出频率，即决定了VDD1和VDD2的电压大小。本硬件系统取&=15、=3.6使得印汉=13F、FDD2=8F。再将VDD2输入到电压转换芯片MC78M05BT和REG1117-3.3，得到DSP和数字电路所需的5V和3.3V电压，如图3-3所示。图3-3 电压转换电路3.3 DSP控制平台TMS320F28035从属于TMS320C28XX系列，是TI公司出品的针对工业控制解决方案而设计的32位微控制芯片。TMS320C28XX系列DSP片上整合了快速的A/D转换器、增强的ePWM模块、增强的eCAP模块、串行通信接口等外设23。拥有如此丰富的外设和强大的运算能力，在两相混合式步进电机的控制方面，该款DSP微处理器显得游刃有余，TMS320F2803X功能图如图3-4所示。图3-4 TMS320F2803X功能图3.4 功率驱动电路3.4.1 驱动电路分析使用L293或L298等全桥芯片来控制电机虽然简便而且成本低廉，但由于其内阻较大，在控制大电流的马达时芯片发热较严重，导致系统的整体效率不高。因此本文采用美国国际整流器IR公司出品的桥臂驱动专用集成芯片IR2104S，只需要一个外接电源就能通过内部集成的自举电路顺利驱动上下桥臂的MOS管。下图3-5是IR2104S的外围电路图，VCC是输入逻辑电源，IN是逻辑信号输入端，是保护信号输入端（低电平有效），和COM分别是驱动同一桥臂上下MOS管的输出参考地，HO、L0分别为上下MOS管的驱动信号输出端口。图3-5 IR2104S典型电路3.4.2 高端侧悬浮驱动的自举原理IR2104S驱动半桥的电路如图3-6所示，其中Cl、D1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的旁路电容。自举电容C1的充电发生在Q2导通之后，假定Q1关断，Q2导通期间C1已经充到足够的电压。当IN接收高电平时，ml开通，m2关断，cl通过ml，R1和栅极和源极形成回路放电。这时的自举电容Cl就相当于一个电压源，给Q1栅极和源极之间的隐性电容充电，从而使Q1导通；m3关断，m4导通，这时聚集在Q2栅极和源极的电荷通过电阻R2迅速对地放电。由于存在死区时间，Q2在Q1开通之前已关断。图3-6 自举电容C1充电回路当IN接收低电平时，如图3-7所示。ml关断，m2导通，这时聚集在Q1栅极和源极的电荷通过电阻R1迅速放电使Q1关断。经过一个死区时间IN为低电平，m3导通，m4关断，使VCC经过m3和R2使Q2的栅极和源极形成回路，Q2导通，同时VCC经自举二极管D1、自举电容C1和Q2形成回路，对C1进行充电，自举电容C1就是这样循环工作在充放电的状态24。图3-7 自举电容C1放电回路3.4.3 H型单极模式倍频可逆PWM控制由于两相混合式步进电机的励磁绕组需要双极性电源供电，因此本文采用的是两相全桥的拓扑结构如图3-8所示。图3-8 双全桥拓扑结构本文采用了H型单极模式倍频可逆PWM控制的策略，所谓单极PWM模式是指在一个PWM周期内，负载电感两端的加载电压是单一极性的。在图3-8中，Q1和Q2以及Q3和Q4均由反相位的开关信号控制其导通和截止，且和以及和相位相差T/2（T为一个周期），不存在一个桥臂上两个开关管同时导通的情况。这样，在电机电枢两端即能得到两倍于基准调制频率的脉冲电压。给Ql、Q2、Q3、Q4通入如图3-8（b）的这四路PWM波，当G1占空比大于G3时，电机正转。在0tt0期间，Q2与Q4导通，Q1与Q3关断。由于电感残留电流的缘故，电感存在反向感应电动势，Q2无法打开，所以电感电流沿图3-9（a）中回路1（经Q4和D2）进行自由续流，由于电感自身和功率管的损耗，电感电流下降，如图3.9（b）所示。注意，在此期间电机电枢电压ua=0，电源Us提供的电流为0。在t0tt1期间，Q1与Q4导通，Q2与Q3关断。电枢A、B两端施加+Us电压，电源向电机提供能量，电流沿图3-9（a）中回路2（经Q1和Q4）由A流向B，电感电流在此期间不断增大。在tltt3期间，Q1与Q3导通，Q2与Q4关断。由于电感电流的缘故，电感存在反向感应电动势，Q3无法打开，所以电感电流沿图3-9（a）中回路3（经Q1和D3）进行自由续流。由于电感自身和功率管的损耗，电感电流下降，如图3-9（b）所示。注意，在此期间电机电枢电压ua=0，电源Us提供的电流为0。在t3tt4期间，Q1与Q4导通，Q2与Q4关断。此时负载电感的状态与tltt2时一样。在t3tt5期间，Q2与Q4导通，Q1与Q3关断。此时负载电感的状态与t0ttl时一样。若G1占空比小于G3时，电机反转。反转电机运行情况与正转电机运行方式类似，不再重复。图3-9 H型单极模式倍频PWM控制电路示意图H型单极模式倍频可逆PWM控制的策略主要基于双边缘调制的原理（软件实现），出发点在于不改变开关器件开关频率的前提下，在一个载波周期内实现了两次调节。此种模式的作用在于不增加开关损耗的基础上，变相提高了载波频率，同时由于续流回路的改变，降低电流、转矩脉动，改善波形系数，以使电机运行在良好的工作条件下。目前，H型单极性倍频可逆PWM控制在大功率伺服系统中获得了广泛应用25。3.5 电流采样、反馈电路步进电机的细分控制是一个电流闭环系统，因此要确保电机每相实际的反馈电流值非常精确。本文采用的是ALLEGRO公司的基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712，该1C可为工业、商业和通信系统中的交直流感测提供经济且精确的解决方案，有精度高、速度快、温飘小、线性度小、抗干扰能力强等特点。而且该传导通路的内电阻通常是毫欧，具有较低的功率损耗。传导通路的接线端与传感器引脚之间有电气绝缘，因此ACS712电流传感器还可以起到电气隔离的作用，保护弱电部分。采样电流转换的电压信号能直接传送给DSP吗？答案是否定的，因为DSP的管脚所能接受的电压范围是0到3.3V，若高于3.3V会烧坏DSP管脚。本文设计的电流反馈电路如图3-10所示，可以解决以上问题。图3-10 电流反馈电路本系统利用运算放大器LM324构造一个电压跟随电路如图3-10所示，根据运算放大器虚短、虚断原理可得式（3-1）： （3-1）近似可认为。图3-11 基准电压电路ACS712T的电流电压比率为10：1，即当时，因此时，。因此。根据图3-5虚短虚断的关系，可得式（3-2）： （3-2）结合公式（3-1）和（3-2）可得，输入到ADC模块引脚ADCB0的电压值为。当变化时，此管脚的电压在1V上下浮动。为确保绝对安全，在输出口设计了一个钳位电路，DSP引脚接受的电压在0到3.3V之间。3.6 保护电路3.6.1 光耦隔离电路由于大多数控制器输出的控制信号为5V，一方面为了满足各种不同输出电压的控制器，另一方面为了保护DSP，本设计中加入了光耦，将控制器的控制信号与DSP隔离开。考虑到控制信号频率比较高，最高接近300KHZ，所以电路中采用了快速光耦TCPL-2531，该光耦最高开关频率可达到1MHZ（实际最高只能达到500KHZ），满足硬件要求。设计方案如图3-12所示，DR-和DR+为方向控制信号，PU-和PU+为脉冲控制信号。若输入信号为高电平，则输入回路的发光二极管导通。接着，输出回路的二极管导通，3.3V电压经过电阻R16、R17给三极管V01、V02提供电流，三极管导通，输出管脚接地，输出为低电平。反之，输入信号为高电平，三极管截止，输出管脚电压等于3.3V。因此，HCPL-2531为反向光耦。图3-12 HCPL-2531光耦隔离电路3.6.2 过压、欠压和过流保护电路图3-13 过压、欠压和过流保护电路本文电机型号为深圳市杰美康机电有限公司的86J1895,电压范围在24V与80V之间。为了保证步进电机的正常运行，本电路利用电压比较器LM339和三极管设计了一个过压欠压电路如图3-13所示，并可得以下公式（3-3）： （3-3）初始状态下LM339的管脚1、2、14均为高电平5V，若或者即或者则管脚i、i4均接地变为低电平（LM339内部控制接地开关管打开）。若电流瞬间过大，则三极管Q2打开，LM339的管脚4的电压将大于，则管脚2将变为低电平。文中提到过，本系统采用的IR2104S，其保护引脚功能，当其输入为高时，芯片正常工作；当其输入为低时，芯片封锁所有输出信号。将管脚1、2、14连接到光耦6N136的输入端，而光耦的输出管脚连接到IR2104S的使能管脚，若则强制IR2104S所有的信号输出低电平，起到保护电路、保护电机的作用。同时，此管脚还连接到EPWM的错误控制子模块的检测管脚GPI017,若GPI017检测到低电平，则错误控制子模块产生错误事件强制PWM输出低电平，起到软硬件双层保护的作用。3.7 外部接口电路两相混合式步进电机驱动器还添加了串行通信接口，用作在线调节PID参数。本文采用的是美信公司的MAX232芯片并且使用+5V单电源供电。此外本文使用的DSP具有专为串口通信接口设计的SCI模块，也就是通常所说的UART口。根据以上两芯片的功能，电路的串行通信接口设计如下图3-14所示。图3-14 串行通信接口电路第4章 控制系统软件的设计4.1 开发环境简介TMS320F2803X芯片软件的开发是在CCS3.3环境下，CCS3.3是TI公司为2000系列DSP专门设计的一套集成开发环境，运行在Windows平台下，如图4-1所示。图4-1 CCS程序开发环境大部分基于DSP的应用程序开发主要包括以下四个基本阶段。如图4-2所示。利用CCS3.3开发基于DSP的步进电机控制应用程序，需要按照以下步骤进行。应用设计编写代码调试分析与调整图4-2 基本的CCS开发流程（1）配置仿真器的运行环境保证系统连接正确后，给系统上电。打开SetupCCS，配置好对应的DSP型号和仿真器信号，选择对应的GEL文件。（2）配置工程首先创建一个新的工程，接着在工程中添加多个不同的文件和文件类型，包括C语言文件、汇编语言文件、头文件、CMD文件，上述所有文件都可以在文本编辑器中进行编写与修改。（3）编译源程序文件经过系统程序的系统运行，如果没有语法错误或其他空间分配问题，就可以将之生成为可执行文件，否则不能生成为可执行文件。（4）执行与调试程序如果程序编译成功，就可以随时运行与调试程序了。常用的程序调试手段有单步调试、设置断点、设置探针点、观察寄存器和内存的窗口、观察图形等，更多具体的DSP程序开发细节参看文献。4.2 开环细分控制的系统软件设计本设计的控制软件部分主要分为c源程序、汇编程序，系统软件由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务程序，其基本结构如图4-3所示。初始化主程序保护中断服务程序主程序电流环中断服务程序图4-3 系统软件基本结构 主程序，包括各个模块的初始化、各个中断入口的定义、定时器的配置。 各模块初始化程序，配置相应的寄存器，使各模块实现相应的功能。XIT外部中断程序，外部管脚连接方向控制信号输入管脚。若方向控制信号改变，则进入此中断改变查询电流表的方向，即电机运行的方向。eCAP中断程序，接受外部控制脉冲控制信号，并计算出其频率。 TZINT中断程序，若驱动器出现过压、欠压或过流情况，则触发此中断屏蔽ePWM模块的输出。ADC中断程序，这是本文中最关键的部分，由这一模块采集电机绕组电流的反馈信号，将由查表得到的电流给定信号与采样的电流反馈信号作差，将差值作为数字PID算法的输入，将数字PID算法的输出赋给ePWM的比较寄存器，得以改变PWM输出的占空比。GPIO程序，配置所有使用到的GPIO。 SCI通信程序。主程序在初始化工作完成后就打开中断，进入循环并不断检测SCI串行通信是否有数据从计算机传入DSP。这些数据为PID算法的参数，具体流程如图4-4所示。ePWM初始化SCI初始化ADC初始化eCAP初始化开中断循环等待中断开始DSP内部寄存器初始化GPIO初始化图4-4 主程序流程图电流环程序是本软件中的核心，而ADC中断则是电流环中最重要的一个部分。本设计将计算电流反馈值、计算接受控制脉冲、电流波形查表、数字PID算法、H型单极模式倍频可逆PWM控制程序均放入ADC中断中，具体流程如图4-5所示。控制器方向信号脉冲信号进入XIT中断进入eCAP中断检测方向信号计数脉冲数进入ADC中断采