（电机与电器专业论文）混合式直线步进电动机的控制.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l e e x p a t i a t e dt h eb a s i cf r a m ea n de c u m e n i cp r i n c i p l ea n d i n t r o d u c e dam i c r o - c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo f t h eh y b r i dl i n e a rs t e pm o t o r , i t b a s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dn e e do ft h ec o n t r o lo ft h el i n e a rs t e pm o t o r , w e c h o s et h e s p e c i a l m o t o rc o n t r o l c h i pd s p ( d i g i t a ls i g n , a lp r o c e s s o r ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 7t or e a l i z eao p e nl o o pc o n t r o la n ds p w mc o n t r 0 1 t or e d u c e t h ev i b r a t i o no ft h em o t o rr o t o r ，w ea d o p t e dt h eb e s tc o n t r o lo ft h ew h o l e s y s t e m t h r o u g ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f b v v a r ed e s i g n ，p r e c i s ep o s i t i o n i n g c a nb er e a l i z e d t h em o d eo fd i r e c tb u i l do ft h es p w mw a sn o ta d o p t e db y d s pi nt h i sa r t i c l e ，b u tg o ts t r a i g h t l yn u m e r i c a lv a l u et h r o u t hd a t am e m o r i z e r , t h ew a yw a ss i m p l e n e s sa n de x p e d i e n c ea n dw a su n d e r s t o o de a s y t oa v o i dt h ec o m p l e x i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r yo fd i s t r i b u t e - p a r a m e t e r , ac e n t r a l i z e p a r a m e t e rc i r c u i tt h e o r yw a su s e di nt h i sa r t i c l e ，t h e m o d e lo ft h el i n e a rs t e pm o t o rw a sb u i l t t h em o d e lw a ss i m u l a t e du n d e rt h e m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n ti nd y n a m i ca n da n ds t a t i cs t a t ea n dg o t t h ef o r c e d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i c - d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c c u r v e ，w ev a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so f t h em o l d a tl a s t ，w ed e s i g n e dt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t sa n du s e di tt ov a l i d a t e t h ec o r r e c t i o no f t h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：h y b r i dl i n e a rs t e pm o t o rp o w e r - s p e e d c h a r a c t e r i s t i c p o w e r - d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c d s ps i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i i 学位论文作者签名：专兄荔飞 锣口7 年f 月刀日 指导教师签名：纱 砂7 年占月，阳 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鸯真考飞 知。7 年f 月咿日 江苏大学硕士学位论文 第一章概述 直线步进电动机是将输入脉冲转换成微步直线运动的驱动装置。当这种电机外 加一个电脉冲时，就会直线运动一步，并准确的锁定在所希望的位置上因为其运动形 式是直线步进的，因而称为直线步进电机它是一种直线增量运动的电磁执行元件， 即使在开环条件下，无须直线位移传感器，也能够做到精确定位控制。该电机具有结 构简单、行程长、耗电省、温升低、容易数字控制、无累积定位误差、惯性小、互换 性强和可直接驱动等明显优点。自六十年代问世以来，顺应数字控制技术和精确直线 驱动技术发展的需要，发展很快。目前已在数控机床、计算机外围仪器、复制和印刷 等办公自动化设备、高速x - y 记录仪、高速绘图仪、图形指示仪以及各种精密直线测 量装置等领域已得到卓有成效的应用。 输入直线步进电机绕组的电流既不是直流电，也不是正弦交流电，而是脉冲电流， 所以有人称其为直线脉冲电动机( l i n e a rp u l s em o t o r - - l p m ) 。称为直线脉冲电机的 另一个理由是，如果采用直线步进电机的名称( l i n e a rs t e pm o t o r - - l s m ) ，则容易与直 线同步电机的简称( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r - - l s m ) 相混淆。 输入直线的电流脉冲信号，可由数字控制器或微处理器来提供。直线步进电机在 不需要闭环控制的条件下，能够提供一定精度且可靠的位置和速度控制。这是直线直 流电机和直线感应电机所不能做到的。近年来，随着微细加工的发展，越来越多的场 合要用到高精度的直线定位系统。传统的将旋转运动变为直线运动的齿轮或丝杠等机 械装置存在一些缺点，主要体现在以下几个方面； ( 1 ) 定位精度主要取决于齿轮或丝杠传动装置，而精度非常高的传动装置加工很 困难。 ( 2 ) 传动的间隙难以克服，存在回差，影响定位精度。 ( 3 ) 长期运动产生磨损，最终使精度下降。 ( 4 ) 传动速度不能太高，否则易产生振动和噪音。 ( 5 ) 传动机构使系统惯量增加，给控制带来困难。 到目前为止已经研制出了许多直线驱动元件，但应用比较广泛的是直线步进电 机。其主要特点是结构简单，可动部分重量轻，惯性小，无漂移，无累积定位误差，且在开 环控制条件下，就能够做到高速，高定位精度在一些高要求的控制系统中，这是理想的 江苏大学硕士学位论文 直线驱动装置。 直线步进电机按其电磁推力产生的原理可分为两大类： ( 1 ) 变磁阻式( v a r i a b l er e l u c t a n c e ) 简称v r 式。 ( 2 ) 混合式，它是利用永久磁铁供磁和电流激磁巧妙结合的最佳方案来产生电磁 推力的。也是本课题研究的对象。 若按其轴向运动分，又可分为单轴向，双轴向和三轴向直线步进电机。 1 1 国内外研究概况1 1 1 1 3 | 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 1 2 l i l 3 1 1 1 4 1 1 1 s l l l 6 1 1 1 7 l 【1 7 1 1 1 9 i i 绷i 1 1 1 发展情况 直线步进电机，首先出现在1 9 6 8 年的第3 ，4 0 2 ，3 0 8 号专利上，是颁发给w i l l i a m h e n s c h k e 的。从此以后，直线步进电机在许多要求极高的领域有了用武之她。包括制 造应用、精密调准和精密流体测量在内的诸多高要求领域。混合式直线步进电机也叫 做s a w y e r 电动机，最初研制成功直线步迸电动机的是美国i b m 公司，后来x y n e t i c s 公司专门制造s a w y e r 所发明的双轴直线步进电动机产品，x y n e t i c s 系列自动绘图 系统在七十年代迅速推广，占领了昔日由交( 直) 流伺服电机加齿轮巍条的( 半) 闭 环驱动系统所驱动的自动绘图机的大部分市场，除了美国x y n e t i c s 公司和日本第二 精工舍生产的s a w y e r 自动绘图机系列，我国西安微电机所，中科院电工所、上海2 l 所等也相继研制开发了h 9 4 2 2 z m ，p b l 2 0 0 及p d h 一1 2 0 等规格的直线步进电动机驱动 的电子绘图机。目前，美国i b m 公司、h p 公司致力于直线步进电机驱动的电子打字 机，) ( 1 记录仪，o 躲，o c r 计算机软盘读取装置的研制和开发。日本则在数控机床， 人工心脏泵，半导体晶片制造的三轴准确定位系统的直线步进电动机开发中倾注了更 多的热情，其中成果较多者有：立石电机、松下电气、富士通、东京芝浦、日立、夏 普等大公司，立石电机甚至研制成功定位精确度可达百分之一微米的x y 工作台。德 国、捷克等国家在运用直线步进电机从事仪器精密定位、自动焊接机、布料、机器人 操纵臂等方面也有多项有益成果。 1 1 2 国内外研究动向 八十年代以来，国内外文献上从直线步进电机的应用介绍逐渐转向性能分析和设 2 江苏大学硕士学位论文 计计算。其研究方向主要有以下几个方面： ( 1 ) 直线步进电机的静特性分析 在实际工作中，直线步进电动机几乎总是处于动态情况下运行，但是静态运行特 性对于步进电动机的运行特性有决定性的影响，是了解和分析步进电动机一切运行性 能的基础。文献 1 给出了其静态力移特性和静态稳定区并分析了其力移特性和气隙 磁导的关系。 ( 2 ) 直线步进电机的控带4 系统设计 直线步进电机的定位精度是一个十分重要的性能参数，直线电机可以用一般的脉 冲信号来控制和驱动，但采用一般的脉冲信号，定位分辨率比较低，因此直线步进电 动机主要采用细分电路提高定位分辨率。其基本原理是将电机绕组中的电流细分，由 常规的矩形波供电改为阶梯波供电，从而将步进电机的每一粗步( 自然步) 进行细分， 得到更小的步距角，提高系统的分辨率。主要的控制执行元件多用单片机，例如采用 8 0 8 9 ，8 0 3 1 ，8 0 c 1 9 6 k c 等系列的单片机，可实现步进电机的细分控制，具体电路实 现可参照文献 4 5 6 7 8 9 3 ，处理结果较令人满意，在这种微机控制系统中， 微处理器所需要的周边器件较多，这往往会影响到整个系统的稳定性，可靠性，并且 在某些控制场合，系统的程序处理速度也成为制约提高系统实时控制性的一个瓶颈。 数字信号处理器( d s p ) 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，d s p 芯片一般均采用特殊的软硬件结构，其内部的基本结构包括哈佛总线结构、流水线结 构以及一些专用的硬件乘法器等，特别是专用于电机控制的t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯 片，为电机控制的实现提供了良好的操作平台，所以成为现代电机控制的主流。将直 线电机与d s p 高速运动控制器配合，用于直接驱动机床的工作台，以p c 计算机为基 本平台，用d s p 作插补、伺服控制的核心，使其运动的响应速度和加速度等获得了前 所未有的提高【l l 【7 1 。 ( 3 ) 高速运行特性和动态特性研究 直线步进电机的极限启动频率通常是比较低的，所谓极限启动频率是指电机最初 在静止状态下，加上一系列连续高频脉冲，电机能够不失步的响应起动的最大速率。 相应地，极限停止速率是指加给运行电机的电脉冲突然停止，而电机不会超过目标位 置的最大步速。通过分析直线电机的极限起动频率和极限停止速率，以及极限连续运 行频率和极限力速特性，找出推力控制的方法，即采用“超高频脉冲”群来进行推力 江苏大学硕士学位论文 控制，并得出了极限起动频率的估算方法。所谓“超高频脉冲”是一种高于极限连续 运行频率的高频脉冲，这种脉冲不会使动子产生位移，而只会使电机磁场在空间相对 于动子拽开一定的相角，从而控制电机产生的推力，使电机能够得到最大的加速度， 或理想的减速度制动力1 3 j 。 ( 4 ) 采用闭环控制 由于在开环的状态下，电机容易失步，而且抵抗负载扰动的能力比较差，所以有 的文献如 1 4 、 1 8 、r z 9 采用闭环控制，利用线圈电流作为状态反馈量，采用自适 应控制，其控制方法和普通电机相类似，大大提高了系统的鲁棒性，在有扰动的情况 下，通过补偿电机的偏移移动而获的很好得调节性能，闭环控制的稳定性可通过李雅 普诺夫定理证明【1 8 1 。 ( 5 ) 与新的控制理论相结合 为了满足数控车削对伺服系统的快速性要求，把基于模糊数学理论设计的校正 p i d 控制器应用于直线电机伺服系统中，该控制器控制参数的实时优化是模拟人类的 思维过程，借助推理来实现，从而大大减少了实时计算量，通过模糊推理来实现控制 器参数的实时优化，实时调整p i d 的比例、积分，微分系数，通过查表来实现模糊推 理过程，算法简单，占用c p u 时间短，从而实现过程的自适应控带, j t 4 j 。 利用神经网络来设计直线步进电机的位置控制器，利用反馈误差学习型神经网络 来提到直线步进电机的定位精度。它由两部分组成，如图1 1 前馈学习控制器和反馈 控制器，前者组成误差学习神经网络来补偿系统模型的不定因素，后者用来在初始状 态下提高系统的鲁棒性，通常的位置控制器一般忽略模型误差和负载的变动而引起定 位的不精确性，而神经网络控制器利用反馈控制器通过学习可克服系统中结构和非结 构的不确定性因素。其算法由d s p 板来实现前馈控制器的学习速度取决于反馈控制 器的设计【1 4 1 。 图1 1 神经网络控制器的示意图 4 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 用无速度传感器实现对直线步进电机的控制 对于直线步进电机，位置信息对于高性能的控制是不可缺少的，通常采用编码器 来检测转子的位置。但位置传感器将会使系统的整体费用增加，并且也增加了系统的 不稳定性，另直线步进电机存在过渡过程的振动是其控制需要解决的一大问题。最好 的抑制方法就是采用闭环控制，但从系统的经济效应来考虑，无速度传感器成为人们 研究的重点，采用滑模观测器来辨识直线步进电机的转子位置和速度可以在3 内辨 识电机的转子位置和速度，并且相对系统模型的不确定性具有良好的鲁棒性，整个无 速度传感控制器由电流控制器、速度控制器、推动力控制器组成，电流控制器采用p i 控制器来真接控制定子电流，转子位置由滑模观测器提供，推动力控制器由推导出的 反馈线性化控制器组成，实验表明可获得准确的转子位置和速度，并且具有很好的鲁 棒性【1 2 j 【1 3 1 。 为了抑制直线电机过渡过程的振动，设计了一种基于卡尔曼滤波器的无传感器控 制系统，由等效电路计算出磁通，电机的电感作为动子位置函数给出，从空气气隙中 储存的能量计算出推动力，由此得到描述直线步进电机过渡过程的的方程，把一种扩 展的卡尔曼滤波器( e k f ，e x t e n d e d k a l m a n - f i t t e r ) 加到激磁线圈电路的非线性 状态方程中，用它来最佳估计l p m 动子的位置和速度，并建立起动态方程，电流指令 计算和e k f 计算通过一个3 2 位浮点d s p ( t m s 3 2 0 c 3 1 ) 来实现，实验结果令人满意。 总之，随着直线步迸电机在不同领域中的应用，对其研究也日益广泛和深入，国 内外已有不少文章发表，其中一部分颇具有影响力，提出的方案较为简单实用，对于 实践有很好的指导作用，但由于其复杂的非线性特性，总的研究还不够成熟，有待于 研究者进一步探讨。 1 2 直线步进电机的应用及特点 1 2 1 直线步迸电机( l p m ) 的应用狮l 直线步进电机技术在工业化国家发展较快，现就其主要应用介绍如下： ( 1 ) 在集成电路制造中的应用 目前集成电路已发展到大规模及超大规模，线条宽度已达到亚微米级，许多工序 江苏大学硕士学位论文 要靠高精度的定位系统来保证，用双轴直线步进电机制成的机械手已经在这方面得到 应用，如用永磁式直线步进移动载片台进行对版、芯片测试、管芯定位。目前制造集 成电路的先进设备电子束曝光机中的载片台也可采用直线步进电机驱动，使其结 构大为简化。各工序之间的硅片传送也可用直线步迸电机制成的机械手来完成。 ( 2 ) 在表面组装技术( s m t ) 中的应用 s 盯是使用片状微小型无引线元件( s m c ) 和短引线器件( s i d ) 直接贴焊到p c b 表面的装联技术。其关键设备贴片机要求精度和速度都很高。美国m e g a n a t i o ni n c 在其最新贴片机中，采用多个双轴机械手在同一工作区域中协同工作，同时进行拾 取，测试，定心，贴装功能。x ，y 轴运动分辨率高于0 0 0 6 m m ，贴片速度1 0 0 0 0 片 小时，甚至更高。 ( 3 ) 在绘图机中的应用 采用直线步进电机的绘图机一般应用于特殊需要的场合，如大幅面，高速，高精 度等，其性能高于滚筒式绘图仪，美国x y n e t i c si n c 最早研制出该产品。之后日本 第二精工舍采用该技术也生产出自己的产品。丑前两家公司都生产了系列产品以满足 不同用户的需要。 ( 4 ) 应用于激光加工 用直线步迸电机驱动光路或驱动反射装置，可大大简化机械结构，此外，其他应 用还有磁头驱动( 日本电气) 、打印机、图象扫描仪( 松下电器) 、图象输入设备等。 ( 5 ) 应用于医疗仪器、自动化仪器设备以及门、窗、电动窗帘的开闭等民用装置 中。 1 2 2 直线步进电机的优缺点【5 l l ( 1 ) 直线步进电机的主要优点 1 ) 能直接产生直线运动，不需要任何的旋转直线联动装置或齿轮，且可达l i i m 的精度。 2 ) 在开环条件下，产生精确的定位控制，使控制系统简单，易于实现。 3 ) 若控制得恰当，工作中没有累积误差。 4 ) 系统结构非常简单耐用。 5 ) 不需要转换装置而直接产生推力和直线运动，因此，它可以省去中间的转换机 6 江苏大学硕士学位论文 构，简化了整个系统的装置，保证了运行的可靠性，提高了传递效率，降低了制造成 本，易于维护，定子有时可借用装置本体的一部分。 6 ) 重复停车没有任何损伤。 7 ) 只需要简单的电子控制器。 ( 2 ) 直线步迸电机( l 附) 的缺点 1 ) 采用普通控制器，效率低，步距大小固定。 2 ) 步进响应可能有大的超调，电机甚至可能会振荡。 3 ) 带动大丽笨重负载的能力有限。 4 ) 用直线滚珠轴承的摩擦负载在开环工作中，增加定位误差。 5 ) 输出功率有限。 这些缺点大部分可以通过进一步研究得以克服，从而达到要求。比如采用高效率 控制器、涡流或有源阻尼器、无摩擦直线磁轴承和磁悬浮等。 1 3 本课题的研究内容 经过大量的文献检索与论证，结合国内外直线步进电机的研究现状，决定将l p m 的控制器研究与设计作为本课题的主要研究内容，在研究了l p m 基本调速理论的基础 上，本文采用目前流行的数字电机控制专用d s p 应用板t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 对l p m 进行硬件 接口设计，主要包括功率变换主电路、键盘和显示器接口、线圈电流检测电路，在控 制策略上，采用最佳控制方法来减少电机的振荡，建立系统的模型，用m a t l a b 软件 进行仿真并通过实验来验证。本课题的主要任务有： ( 1 ) 采用d s p 芯片实现对直线步进电机的微机控制，根据混合式直线步进电机的 特点和要求，采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 仿真器应用板迸行开环控制，并通过 硬件和软件设计提高定位精度和频带宽度。 ( 2 ) 通过s p w m 微步驱动方式，实现对直线步进电机的控制。 ( 3 ) 建立直线步进电机的数学模型，并通过力速特性的分析找出高速运行时电机 振荡的原因及解决措施并给出了电机的振荡频率。 ( 4 ) 采用m a t l a b 进行线性、非线性仿真和实验测试来验证模型的正确性。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章混合式直线步进电动机的结构和原理 2 1 混合式步进电机的结构特点 二相混合式直线步进电动机作为一种理想的高科技直线驱动器，在高分辨率直接 驱动的直线伺服系统中得到了广泛应用它是利用永久磁铁供磁和电流激磁巧妙结合 的最佳方案来产生电磁推力的电动机。两相平板型混合式直线步进电动机的结构如图 2 1 所示，定予是由开有等距槽的叠片铁心组成，齿距( 或槽距) 为f ，动子是由永 久磁铁再加上形电磁铁a ( e m a ) 和b ( e m b ) 组成，电磁铁a 具有磁极1 和2 ； 电磁铁b 具有磁极3 和4 。每极上一般都有几个齿( 图中每极上有两个齿) 。其齿距 要求和定子的齿距相等，均为f ，电磁铁的铁心是有硅钢叠成。磁极1 和2 之间的 距离( 或3 和4 之间的距离) 要求为 s k = ( m + l 2 ) r f 一6 ， ( 2 1 ) 式中肘是任意可选的正整数，良为齿宽，这样就可保证极l 的齿和定子的齿对齐时， 极2 齿中心正好对着定子槽中心。电磁铁a 和电磁铁b 之间的齿距为： g 女= ( k + 1 4 ) f | 一b ：或者g t = ( k + 3 4 ) f t b ： ( 2 2 ) 式中足为任意芷整数。这样就可以保证当极l 齿中心正对着定子齿中心时，极3 和4 的齿中心分别都正好处在定子齿中心和槽中心之间，为电机下一步步进运动做好位置 准备工作。 动千 图2 1 混合式直线步进电机结构图 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 混合式直线步进电机的工作原理i 删 2 2 1 单相轮流激磁的情况 当电磁铁线圈中没有电流时，各极的磁通均由永久磁铁提供，设永久磁铁提供的 总磁通为妒。，则每个极下的磁通大致为丸2 磁通的路径如图2 2 中虚线所示。 图2 2 单相电流激磁磁通 为了简化分析，假定动子每个极只有一个齿。现在如果上a 相线圈( 即电磁铁a 的线圈) 通入正向电流激磁( 在图中用。和。来表示) ，则由电流激磁产生的磁通路 径如图2 - 2 实线所示，此时极1 下的气隙磁通为识z 九2 + 。，设m 妒。2 ，则 噍* 九2 + 九* ，；而极2 下的磁通为办z 九2 一九硝0 ：极3 和极4 下的磁通大致 有妒。2 ，显然此时极1 所受的磁力最大，极2 所受磁力几乎为零，极3 和极4 所受磁 力沿轴向分量基本互相对消。因此，动子的运动由极1 所受的磁力决定，最后极l 必 定运动到和定子齿对准为止( 如图2 3 所示，极1 对准定子齿1 ) ，此时妒。对应 磁路的磁通最大，动子所受切向磁推力等于零，动子就处在稳定平衡的位置上；动予 由图2 2 过度到图2 3 时，动子己向右移了t 4 ，若接下去通电方式变成图2 3 所示，由分析可得结论，极4 受磁力最大，并必然使极4 对准定子齿6 ：此时初级动 子相当于状态l 再向右移动f ，4 ，同样可分析图2 3 和图2 3 的通电情况，可 得如下结论：当单相通电方式按图2 3 + p + + 顺序进 行时，则动子向右以的q 4 步距移动。这就是四拍制运行方式。各相线圈的通电规律 如图2 4 所示。 9 江苏大学硕士学位论文 通电 稳定位置磁力分布 方式 线圈 么a ， 极t 磁力最大l 极2 磁力为 通正 衙感臃几孓 零；极3 ，极4 磁力水平方 相电流 向互相抵消 线圈 逸 极i 、极2 磁力水平方向互 相抵消；极3 磁力为零；极 b 通正 9 勰瓣几孓 4 磁力最大，相对于状态1 相电流 向右移了t 4 狡。 极2 ：磁力最大；极l ；磁 力为零；极3 ，极4 ，磁力 水平方向互相抵消。相对于 线圈 f l j j u 口一学一= l 疑瞄田几r a 通负 状态2 向右移了t t l 4 相电流 线圈 纨 极3 ：磁力最大；极4 ：磁 力为零；极i ，极2 ，磁力 b 通正 ( 一n 孓 水平方向互相抵消，相对于 相电流 状态3 向右移了r , 4 图2 3 混合式直线步进电机单相激磁时的工作原理 1 0 江苏大学硕士学位论文 线圈电流波形 + 0 4 j 线圈电流波形 + 0 通电顺序 c 1 )圆( 3 ) ( i )( 1 ) ( 3 ，( ) 图2 4 单相激磁时各相线圈电流波形 2 2 2 两相同时激磁分析 上述单相激磁，当电机由图2 3 状态l 过渡到状态2 时，由于极1 下有永久磁铁 供应的磁通在作用，极1 和定子齿1 之间实际存在着相当大的磁力，阻止动子向右移 动。而当线圈b 通以正电流时，在线圈a 中同时通以反向电流，也就是所谓双向激磁， 这会大大有利于动子从状态l 过渡到状态2 。这是两相绕组同时通电的优点之一，两 相绕组同时通电各相线圈的电流波形如图2 5 所示。 图2 5 混合式直线步进电机两相绕组同时通电电流波形 江苏大学硕士学位论文 2 3 混合式直线步迸电机的控制 2 3 1 阶梯型脉冲电流控制两相混合式直线步迸电机 为了提高直线步进电机的步进分辨率，多采用细分驱动，即在a 、b 两绕组中分 别通入包络线为正、余弦的阶梯形脉冲电流。在o 卅2 范围内，线圈b 的电流从零 逐渐增大到最大值，使得极4 下的磁通由九2 逐渐增大到。，而极3 下的磁通逐渐 由下丸2 降到零。同时极1 下的磁通随着如下降而下降，配合线圈b 使初级动子如 同同步电机那样较平滑地向右移动，一个脉冲行一个微步距。包络线变化一个周期， 动子就移过一个齿距。当a 相电流下降的同时，b 相电流上升，当它们的值达到相 等时，则初级动子正好移过矗，8 ，如果上述a 相和b 相的正、余弦电流用如图2 6 实 线所示的阶梯想脉冲电流群代替，设每一个周期电流用4 0 个等宽的但幅值变化的脉 冲群来代替，每个脉冲宽度为9 度，当耐= 0 时，各相电流为： i a2 i h c o s 0 1 = i i b 。l s i n 0 “= 0 设此时动子位置在x = 0 处，当c o t = 9 0 时，两相电流应为： i = i h c o s 9 0 三l 。c o s 9 0 i a = i s i n 9 = i 。s i n 9 则步进电机就相对于原来的位置移动了( 1 4 0 ) z - ，此时步距为四十分之一齿距。 分辨率比原来提高了十倍，这就是细分电路的主要思想。目前控制电机主要的控制执 行元件多用单片机，例如8 0 8 9 ，8 0 3 1 ，8 0 c 1 9 6 k c 等系列的单片机，可实现步进电机 的细分控制，具体电路实现可参照文献 4 儿5 6 7 8 9 ，处理结果较令人满意， 在这种微机控制系统中，微处理器所需要的周边器件较多，这往往会影响到整个系统 的稳定性，可靠性，并且在某些控制场合，系统的程序处理速也成为制约提高系统实 时控制性的一个瓶颈。所以我们考虑用数字信号处理器( d s p ) 来实现我们的控制要 求，它是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，用其事件管理器可方便 的产生对称和非对称的p 嘲波，空间矢量s v p 珊波和正弦s p 哪波，为电机控制提供 了良好的操作平台。本设计考虑用t i s 3 2 0 f 2 4 0 7 来产生s p v n i 波来实现我们的控制要 江苏大学硕士学位论文 求。 图2 6 用电流群来代替正、余弦 2 3 2s p w m 电流控制两相混合式直线步进电机 采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性 的环节上时，其效果基本相同。冲量既是窄脉冲的面积这里所说的效果基本相同，是 指环节的输出响应波形基本相同。 s p w m 正弦脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调 制法这种方法原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波，调节和稳定输出 电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。s p w m 正弦脉宽调制法分为二阶式和 三阶式两种，本课题采用三阶式。 u c u s 0 + e 0 - e 图2 7 三阶式s p w m 控制方式波形 1 3 江苏大学硕士学位论文 半波三角波用分段函数来表示。这样两个函数的斜率分别为+ 堡和丝初始值分 f 一慨卜2 疵) 生1 + 玑 2 庇致f 2 蒇+ 石 铲1 ( 纠) 堡2 ：嚣i 五：2 万 l 万 正弦波方程为虬= u ss 呱q f ) ，调制度琶= 肘s l ，载波比竺c - o 生i 1 ，可以用计算方 1 4 江苏大学硕士学位论文 e n d 心 各个点的值分别为 t l = o 0 0 0 8 ；0 0 0 2 5 ；0 0 0 4 3 ；0 0 0 6 4 ；0 0 0 8 7 ；0 0 11 3 ；0 0 1 3 6 ；0 0 1 5 7 o 0 1 7 5 ；0 0 1 9 2 t 2 = o 0 0 1 2 ；0 0 0 3 5 ；0 0 0 5 7 ；0 0 0 7 6 ；0 0 0 9 3 ；0 0 1 0 7 ；0 0 1 2 4 ；0 0 1 4 3 ；0 0 1 6 5 ；0 0 1 8 8 1 5 江苏大学硕士学位论文 第三章基于d s p 的混合式直线步迸电机控制系统的设计 3 1 数字信号处理器的应用及性能特点 3 i 1 数字信号处理器的应用 t i 公司在1 9 8 2 年成功退出第一代t m s 3 2 0 1 0 、t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c l o l c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等d s p 芯片，之后相继推出了第二代t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 等d s p 芯 片，第三代t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2d s p 芯片，第四代t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4d s p 芯片，第五代 t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 xd s p 芯片，第二代d s p 改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多个d s p 芯片于一体的 高性能o s p 芯片t m s 3 2 0 c s x ，以及目前速度最快的第六代t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等o s p 芯 片。t i 公司常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 ( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) ，如图3 1 所示。 t m s 3 2 0 家族中同一代的器件有相同c p u 结构，但片内存储器和外围配置是不同的 派生的器件使用了新的片内存储器和外设来满足全球电子市场上大范围的应用需要。 通过把存储器和外围设备集成为一个单片器件，t m s 系列d s p 降低了系统的功耗，并节 省了电路板的空间，提高了系统的可靠性。 1 6 江苏大学硕士学位论文 3 i 2 数字信号处理器的性能特点 ( 1 ) 改进的哈佛结构具有分离的程序和数据结构总线，可以分别访问分离的程序 和数据存储器，地址总线也是分离的，这种多总线结构使得指令和数据能并行移动和 同步执行，加快可执行的速度。 ( 2 ) 在d s p 内可执行高达四级流水线操作。利用同步的程序和数据总线及流水线 操作，可以缩短整个执行时间，因而可获得很高的m i p s ( 百万指令秒) ，d s p 的执行 速度可达1 6 0 0 m i p s 。 ( 3 ) 1 6 位结构的3 2 位累加器( 即3 2 位的累加器分成两个1 6 位用来存储数据) 和其他寄存器使量化和截断误差最小。 ( 4 ) d s p 能够用在控制系统上的最重要的原因就是它具有1 6 1 6 位的硬件乘法器， 它能够在单片机周期内计算出一个有符号或无符号的3 2 位积，而一般的处理器需要 8 0 个周期，因此，它使许多采用先进的控制算法的复杂系统的实时控制成为可能。 ( 5 ) d s p 内部硬件实现了其他处理器要用软件或子程序实现的功能。例如，硬件 包含1 6 1 6 位单周期乘法、数据移位和地址操作，这种硬件加强的方法提供了以往的 单片机所没有的计算能力。 ( 6 ) d s p 的工作时钟频率很高，如t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 可高达2 0 0 姗z 。 ( 7 ) d s p 的另一大特点是精简的指令集( r i s ) 简化了数字信号处理过程。例如， m a c d 命令可完成4 个操作：两个数相乘，位移，把乘的结果与以前的值相加，把最终 结果转移到邻近的寄存器，这种单指令简化了软件开发，减少了程序代码。d s p 具有 特殊的溢出方式，这一方式模仿模拟系统中的运算放大器的饱和特性，当置溢出方式 时，若发生正溢出，累加器的内容由最大正值( 7 f f f f f f f h ) 代替，若负溢出时，则 为最大负值( 8 0 0 0 0 0 0 0 h ) 。 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 控制器 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 控制器的应用 设计者经常会遇到为了达到更好的性能和减少系统中设备数量，而使用更先进的 算法来重新设计已有的d m c ( d i g i t a lm o t o rc o n t r o l l e r ) 系统的情况。利用d s p 可以 进行下列设计： 1 7 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 新一代廉价电动机( 交流伺服电动机，直流永磁电动机和开关磁阻电动机等) 的鲁棒控制设计。 ( 2 ) 具有低制造成本和高可靠性的无刷电动机类的全变速控制。 ( 3 ) 采用变速控制中的节能设计，节能可达到定速控制所用能量的2 5 。 ( 4 ) 用于自动电子动力控制( e p s ) 系统中，可以提高燃料性能，减少液态流体。 ( 5 ) 在汽车电子制动系统中通过减少液态流体，可以降低制造和维护的成本。 ( 6 ) 由于力矩波纹的减少，从而使运行更加有效和安静，可实现低功耗。低震动和 长寿命。 ( 7 ) 在实时多项式计算中，内在查表的减少，可以降低系统成本。 ( 8 ) 使用先进的算法可以降低系统的传感器数量。 ( 9 ) 与控制算法处理一起完成电源开关转换的控制。 ( t o ) 多电动机系统的单处理器控制。 3 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的结构特点 美国t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 x ( 7c 2 4 x ) 系列是为满足大范围的数字电机控制 ( d m c ) 应用而设计的。本科题选用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，主要由c p u 、事件管理器 ( e v ) 、片内周边接口、片内r a m 、片内p r o m 或f l a s h e e p r o m 等部分组成。 c p u ：具有1 6 位定点d s p 内核，指令集源代码向下兼容t m s 3 2 0 c 2 x 系列、向上 兼容t m s 3 2 0 c 5 x 系列，具有良好的移植性。运算能力为2 0 m i p s ( 指令周期5 0 n s ) ，具 有独立的数据总线和程序总线，支持并行的程序和操作数寻址，这种高速运算能力使 自适应控制、卡尔曼滤波等复杂算法得以实现。 事件管理器( e y ) ，提供了下列运动控制非常有用的系列功能： ( 1 ) 通用定时器：共有3 个1 6 位通用定时器t 1 、t 2 、t 3 ，可产生采样周期，作 为比较单元产生p w m 输出以及软件定时的时间基准。 ( 2 ) 比较单元与c 肝p 删输出：共有3 个全比较单元和3 个简单比较单元。全比 较单元以定时器l 为时间基准，可输出带可编程死区的c 船p 聃信号，笱单比较单元 以定时器l 或定时器2 为时间基准，通过设置不同的工作方式，可输出对称p 删和 非对称p 州波。 ( 3 ) 正交编码脉冲( q e p ) 电路：可以用作与一个光电编码器接口以获取一个转 动机构的位置和速度信息。 i g 江苏大学硕士学位论文 周边接口单元：提供方便的输入和输出控制。 ( 1 ) 双十位a d 转换器：包含两个内部采样保持电路的l o 位a d 转换器，共有 1 6 个a d 通道，每个通道的最大转换时问为6 6 嚼。 ( 2 ) s p i 和s c i ：同步串行外设接口( s p i ) 可用于同步数据通讯，典型的应用包 括外部i 0 扩展，s c i 口即用于异步收发器( u a r t ) ，用于与p c 机等通讯。 ( 3 ) 看门狗( 粕) 与实时中断定时器( r t i ) ：监控系统软件及硬件工作，在c p u 工作混乱时产生系统复位。 3 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 应用系统及控制系统电路设计 3 3 1t 确s 3 2 0 l p 2 4 0 7 应用系统概述 t i l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 应用板是一个独立的板卡，是l f 2 4 0 7 2 4 0 7 ad s p 芯片进行扩展和 运行软件的标准平台，可以在其基础上进行l f 2 4 0 7 a 的特性测试，确定l f 2 4 0 7 a 是否满 足用户的需求。 圈3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 应用板资源框图 1 9 江苏大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 应用板使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片，兼容所有l f 2 4 0 7 a 的使用代 码，它具有2 5 k 1 6 位的片内存储器，1 2 8 k 字板上存储器，3 2 k 字片内f l a s hr o m ，片内 u a r t 和板上d a c 7 6 2 5 数模转换模块。l f 2 4 0 7 应用板还提供了d s p 的扩展引脚。方便了 用户外搭所需电路，许多用户接口可利用简单的代码进行扩展，从而缩短了调试时间。 其资源框图如图3 2 所示 3 3 2 本课题的控制特点 ( 1 ) 由d s p 形成s p 删信号，且可以改变频率和幅值，频率范围在l 1 2 7 h z ，动子 的运动速度可在一定范围内任意改变。 ( 2 ) 控制系统具有记忆能力，能记住动子所在的位置，因而，可以在任意位置上 起动和停止。 ( 3 ) 通过键盘控制，实现直线步进电动机的正向、反向，停止、启动和频率设定、 最佳控制等功能。 ( 4 ) 系统控制简单，可靠性高，成本低。 为满足上述要求，硬件设计采用下列措施： ( 1 ) 用静态显示方法，通过程序中断方式读取闭合控制键号。实现调用不同子程 序的共能。 ( 2 ) 采用d s p 读取数字信号数据，通过d a c 转换产生s p w m 波，向动子线圈输出 s p w m 信号，同时向左运行时显示提示符“l ”及运行频率。反向运行时显示提示符“r ” 及运行频率。 ( 3 ) 正向运行与反向运行子程序中有判断键值的功能，若接受到停止信号，则此 时向线圈a 、b 发出停止信号，且显示“s ”提示符；若接受到暂停信号，则保留当时 的s p 嘲信号值，同时显示“p ”提示符。 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 应用扳 图3 3d s p 控制系统原理框图 2 0 江苏大学硕士学位论文 3 3 3d a c 转换电路 ( 1 ) 数模转换模块资源 l f 2 4 0 7 a 应用板提供了4 路1 2 位的d a 通道输出范围为0 3 3 v 的直流电压。 数模转换器映射到i 0 地址空间：o x o o o o o x 0 0 0 4 ，如表3 - 1 所示。i o 地址o x 0 0 0 0 o x 0 0 0 3 用作通道1 4 的数据保持寄存器，地址o x 0 0 0 4 用来传送保持寄存器的值到转 换器的输出通道。例如，