（轮机工程专业论文）嵌入式dsp在航海设备中的应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着航运事业的发展，船舶航行安全越来越受到人们的重视。航向是保 证船舶航行安全的最基本要素，船舶电罗经作为船舶的导航设备之一，在船 舶导航中是必备的设备，它的精确度和可靠性直接影响船舶航行安全和预定 航行任务的完成。 数字化、智能化是仪器仪表的发展方向之一，同时对仪表的数据采集速 度和控制精度也要求越来越高，这就对仪表的硬件平台提出了更高的要求。 电罗经作为船舶航行重要的仪器之一，要求其复示器能实时、准确地反应船 舶航向。本文根据电罗经的结构和特点，介绍了一种基于嵌入式d s p 作为微 控制器的船舶电罗经复示器的研制。 步进电动机是种可以用数字信号直接组成较为简单又有一定精度的开环 或者较高精度的闭环控制执行元件，电脉冲信号与步进电机步距角存在一定 的线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 本文根据步进电机的步距角做得越来越小、步距误差不长期积累以及可 靠性高等特点，同时结合了t i 公司专门为大范围数字电动机控制( d m c ) 应 用而设计的一款t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为微控制器。在此基础上介绍了步 进电动机的结构与原理，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片的结构和特点，d s p 控制 两相混合式步进电动机细分步距角的数学模型，s p w m 波形产生原理，d s p 的串口通讯，步进电动机的开环控制与相电流反馈的闭环控制，系统的硬件 和软件实现以及系统的抗干扰等方面的内容。 通过系统在试验和调试过程中的情况，表明了嵌入式d s p 在船舶电罗经 复示器的应用中具有较快的数据采集和处理速度，以及较高的控制精度，系 统的可靠性高，易于升级等特点，在船舶航海仪器仪表领域将会具有广阔的 应用前景。 关键词：d s p 步进电动机电罗经复示器正弦脉宽调制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es m p p i n ge n t e r p r i s ed e v e l o p m e m ，t h es h i p sn a v i g a t i o ns a f 色t y i sr e g a r d e dm o r ea n dm o r e t h es h i p sd i r e c t i o ni st h em o s te s s e n t i a lf k t o r g u a r a i i t e e dt h es h i p sn a v i g a t i o ns e c 嘶t y t h eg y r o - c o m p 船st o o ko n eo fs h i p s n a v i g a t i o n ，i sm en e c e s s 8 r ye q 试p m e n ti nm es h i p sn a v i g a t i o n i t sp f e c i s i o n 锄d r e l i a b m t yi n n u e n c ed i r e c t l ys h i p sn a v i g a t i o ns e c u r i t ya n dd u t yc o m p l e t i i l g p r e a r r a n g e d t h ed i g i t i z a t i o na l l di n t e l l e c t u a l i z a t i o na r eo n eo fi n s t r u r n e md e v e l o p m e n t d i r e c t i o n s ，a l s 0r e q u e s t st ot h ed a t aa c q l l i s i t i o ns p e e da n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o n m o r eh i 曲1 1 1 i ss e tah i 曲e rr e q u e s tt ot h ei n s t n l i n e n th a r d 慨r ep l a t f 0 皿t h e g y r o - c o m p a s si 8o n eo fm o s ti m p o r t a n ti n s t r u m e n t si n t h es h i p sn a v i g a l i o n ，i t s r e p e 砒e rm u s tb ea b l er e a l _ t i m e ，a c c u r a t e l yt or e s p o n dm es h i p sd i r e c t i o n a c c o r d i n gt ot h eg y r o c o m p a s ss t m c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，m i sa n i c l e i n t r o d u c e do n ek i n dm e t h o d so ft h es h j p sr e p e a t e rc o m p 船sd e v e l o p m e n tb a s e do n d s pe f n b e d d e da sm i c r o p r o c e s s o r s t e pm o t o ri sae x e c u t i v ee l e m e n tc a nb ef o m las i m p l e ro p e n _ l o o pc o n t r o l w i 也c e r t a i np r e c i s i o no rac l o s e d - l o o pc o n t r 0 1w i mh i 曲e rp r e c i s i o nu s i n gt h e d i g i t a ls 逅i l a l b e c a u s e 也e r ei sc e n a i nl i n e 撕t yr e l a t i o n st t 坞e l e c 仃i c i t yp u l s es i g n a l a n dt h es t e pa i l 窑l e ，t h i sm a k es t e pm o t o rt ob eo b t a i n e dt l l ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n i ns p e e dc o n t r 0 1 ，p o s i t i o nc o n t r o la n ds oo n a c c o r d i n gt ot h es t e pa n 2 l eo fs t c pm o t o rc a nb ed o n es m a u e ra n ds m a l l e r ， h a sn oc u m u l a t i n ge r m ra n dh i 叠h e rr e l i a b i l i t ya n ds oo n b u i l du pah a r d w a r e d l a t f o 珊b yi n t e 皿r a t i n gt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pw h i c hi sac m o sc h i pw h i c h t ic o r p o r a t i o nd e s i g n e ds p e c i a l l yf o rt l l ew i d er a n g ed i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 ( d m c ) o nt h i sf o u n d a t i o ni n t r o d u c e ds t r u c t u r ea i i dp r i n c i p l eo fm es t 印m o t o r ，s t r u c t u f e a i l dc h a r a c t e r i s t i co ft h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i p ，m em a m e m a t i c a im o d e lo f 行a c t i o n i z i n ge l o n g a t i o no fas t e pw h i c ht h et w op h a s em i x e ds t y l e ss t e pm o t o r c o n t r o l l e db yt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i p ，p r i n c i p l eo fm es p w mw a v e d r o d u c e d ，s c ic o m m u n i c a t i o no fd sp ，o p e n 1 0 0 pc o n t r o l 眦dc l o s e d - 1 0 0 pc o n t r o l c u r r e n tf e e d b a c ko ft h es t e 口m o t o r ，t h es y s t e mh a r d w a r ea i l ds o f t w a r er e “i z a t i o n ， a 嘶j a 工n r n i n gp r o b l e ma n ds oo n t h r o u g ht e s t i n ga n dd e b u g g i n go ft l l i ss y s t e m ，i n d i c a t e dd s pe m b e d d e dh a s t h eq u i c kd a t aa c q u i s i t i o na 1 1 dm ed a t ap r o c e s s i n gs p e e d ，a sw e l l 嬲h i g hc o n t m l p r e c i s i o n ，m es y s t e m i cr e i i a b i l i t y i sh i g h ，i se a s yt op r o m o t ea i l ds oo m e c h a r a c t e r i s t i ci nt h es h i p sr e p e a t e rc o m p a s sa p p l i c a t i o n t h i sd e s i g nw i l lb ea _ b l et o h a v e 也eb r o a d 印p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h es h i p sn a u t i c a l i n s t n l m e n tm e a s u r i n g a p p l i a n c ed o m a i n k e y _ o r d s ：d s p ： s t e pm o t o r ， r e p e a t e rg y r o c o m p a s s ， s p w m l i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 陀螺罗经是一种以陀螺仪为核心元件，指示船舶航向的导航设备，又称 电罗经。陀螺罗经依靠陀螺仪的定轴性和进动性，借助于其控制设备和阻尼 设备，能自动指北并精确跟踪地球子午面。它的功用与磁罗经相近，但其精 度更高，而且不受地球磁场和钢质船体等铁磁物质的影响，是船舶指示航向 基准的主要设备。 随着航运事业的发展，船舶航行安全越来越受到人们的重视。航向是保 证船舶航行安全的最基本要素，船舶电罗经作为船舶的导航设备之一，在船 舶导航中是必备的设备，它的精确度和可靠性直接影响船舶航行安全和预定 航行任务的完成。 数字化、智能化是仪器仪表的发展方向之一，同时对仪表的数据采集速 度和控制精度也要求越来越高，这就对仪表的硬件平台提出了更高的要求。 电罗经作为船舶航行重要的仪器之一，要求其复示器能实时、精确地反应船 舶航向，驾驶员根据电罗经复示器的读数来确定船舶航向才能准确地做出下 一步指令“”。本文根据电罗经的性能和特点，介绍了一种基于嵌入式d s p 作 为微处理器的船舶电罗经复示器的研制。 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术 已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计 的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度已高达2 0 0 0 m i p s 。目前，在微电 子技术发展的带动下，d s p 芯片的发展日新月异，d s p 的功能日益强大，性能 价格比不断上升，开发手段不断改进。在当今的数字化时代背景下，d s p 已成 为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命 的旗手。同时d s p 已成为集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更 新换代的决定因素。在国外，d s p 芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各 个领域；在我国，d s p 技术也正以极快的速度被应用在通信、电子系统、信号 处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统 武汉理工大学硕士学位论文 等许多领域中，而且新的应用领域在不断地被发掘。因此基于d s p 技术的开发 应用正成为数字时代的应用技术潮流”1 。 t i 公司的l f 2 4 0 x 系列的d s p 是为了满足控制应用而设计的。通过把一 个高性能的d s p 内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，是其成 为传统的微控制单元( 淝u ) 和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品。例如此课 题中用到的l f 2 4 0 7 a 这款d s p ，每秒4 0 0 0 万条指令( 4 0 m i p s ) 的处理速度， 可以提供远远超过传统的1 6 位微控制器和微处理器的性能。l f 2 4 0 x 系列的 d s p 具有的1 6 位定点d s p 内核，为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统 精度和性能的数字解决方案。实际上对于那些诸如自适应控制、卡尔曼滤波 和状态控制等技术，通过使用先进的控制算法，系统的性能会得到很大的提 高。另外对于模拟控制系统的常规硬件连线方案，会因老化、器件失效和飘 逸等因素降低系统性能，而对于l f 2 4 0 x 系列d s p 比如内部具有1 0 位的a d 转换模块，在设计中大大简化了系统的外围电路，提高了系统的可靠性和可 编程性。基于这些我们采用了l f 2 4 0 x 系列d s p 具有较高的性价比，降低了开 发难度，缩短了产品的开发时间，有效的降低了开发成本“。 1 2d s p 芯片概述 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛 采用流永线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号 处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些主要特点 【i ： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 片内具有快速r a 醛，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i 0 支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( 8 ) 支持流水线操作。使取指令、译码稚执行等操作可以重叠执行。 2 武汉理工大学硕士学位论文 自从d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞速的发展。d s p 芯片高速发展， 一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的二 十多年时间，d s p 芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应 用。目前，d s p 芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应 用潜力。利用d s p 我们可以进行下列设计： 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) 的鲁棒控制器的设计； 具有低制造成本和高可靠性的无刷电动机类的全速控制； 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 ； 用于自动电子动力控制( e p s ) 系统中，可以提高燃料性能； 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成本； 由于转矩纹波的减少，从而使运行更加有效和安静，从而实现低功耗、 低振动和长寿命； 在实时多项式计算中，内在查表的减少，可以降低系统成本； 使用先进的算法可以降低系统中的传感器数量； 与控制算法处理一起完成电源开关转换的控制； 多电动机系统的单处理器控制。 1 3 本课题的研究内容 本课题针对船舶电罗经的结构和特点，以及它的发展方向和市场的需求情 况，在这里采用t i 公司专门为电机控制而设计的一款芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作 为微控制器，同时结合s g s 公司为步进电动机控制而设计的l 2 9 8 双h 桥驱动 芯片作为功率驱动器件，设计了一款基于嵌入式d s p 作为微控制器的船舶电 罗经复示器。 本课题主要完成的工作有： 1 ) 通过步进电动机的特点与控制方法，完成两相混合式步进电动机步距 角的细分驱动理论分析。 2 ) 系统的硬件设计。包括d s p 的扩展存储器接口、d s p 外围复位电路和 时钟电路、d s p 控制器电源管理电路、串口通讯的信号采集电路、电平转换电 路、步进电动机功率驱动电路、步进电动机相电流反馈电路和过电流保护电 3 武汉理工大学硕士学位论文 路等的设计和实现。 3 ) 系统软件的设计。包括系统的主程序、s p 删信号的程序、串口通讯接 口程序、过电流保护中断程序和对零点位置子程序等的设计。 4 ) 系统抗干扰方面的设计。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章步进电动机概述 2 1 步进电动机的特点及应用 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，它是一种将电脉冲转化为角 位移的执行机构。通俗一点讲，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 及步距角) 。可以通过控制脉 冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉 冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在 非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲 数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步 距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差 等特点，使得在速度、位置等控制方面用步进电机来控制变得非常简单。 步进电动机是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、 步进电机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分“1 。其系统 框图如图2 1 所示。 _ _ - _ 一_ - _ _ 图2 1步进电动机系统框架图 自上世纪中叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其在 数控( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 机械中广泛利用其开环控制的特点。近几年来，步 进电动机在o a ( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 机器、f a ( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 机器和计 算机外部设备以及远洋船舶和航空航天等领域作为控制用电动机和驱动用电 动机而被广泛使用，应用得到了广泛的推广，步进电动机的性能主要由静转 矩、动转矩和角度精度来评价，但应用场合不同则对其性能要求各异。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 步进电动机的特点 步进电动机特点归纳起来有以下几点： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价： ( 2 ) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构 较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭 环控制系统； ( 3 ) 无刷，电机本体部件少，可靠性高； ( 4 ) 易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好； ( 5 ) 停止时，具有自锁能力； ( 6 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 。大范围内选择。在小步距 角情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，也可以不经减速器直接驱 动负载； ( 7 ) 速度可在相当宽的范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进 电机可使它们完全同步运行； ( 8 ) 步进电机带惯性负载的能力较差； ( 9 ) 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速方法根据利用状态的不 同而复杂化； ( 1 0 ) 不能直接使用普通的交直流电源驱动。 2 1 2 步进电动机的分类 步进电动机的种类繁多，按其运动形式分，有旋转式步进电机和直线步进 电机两大类，按其工作原理又可分为永磁式、反应式和混和式三类“”。 1 、永磁式( p e m l a n e n tm a g n e t ，简称p m ) 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。 由定位电磁铁构成的步进电动机其结构如图2 2 ，这里只域出一相( a 相) 定 子，当电磁铁a 通电励磁时，转子两个齿被吸住，进入稳定位置。电磁铁b 通电励磁时，转子另外两个齿被吸住。进入新的稳定位置。当m 相定位电磁 铁依次导通时，转子即产生步进运动。转子的极数和定子的极数相同，所以 一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小( 相比反应式) ； 但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。 6 武汉理工大学硕士学位论文 触髋 图2 2由定位电磁铁构成的步进电机结构图 2 、反应式步进电机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，简称v r ) 反应式步进电动机是目前比较流行的一种电动机，转子是由软磁材料制成 的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，它是依靠改变电动机的磁阻 来产生电磁转矩，所以也称变磁阻式步进电动机。反应式步进电动机有一个 定子上装有m 相励磁绕组，相当于m 个定位电磁铁。还有一个只开有均匀分 布的槽齿的转子，其上不安装任何绕组。这种电动机又分为多段式和单段式 两种结构。 单段式反应式步进电机 单段式反应式步进电动机在结构上相当于将多段电机定子重合安装于一 个平面上，以三相单段式反应式步进电机为例，如图2 - 3 ，电机的定子上均匀 分布着六个大磁极，每个磁极安装一个励磁线圈，相对的两个线圈( 如a + ， a 一) 串联成一相绕组，从而构成a 、b 、c 三相绕组。转予上开出均匀分布的 转子齿，槽宽、齿宽近似相等。 图2 3 三相单段反应式步进电动机结构 7 武汉理工大学硕士学位论文 单段反应式步进电动机的结构简单，而且坚固可靠。它容许采用三个单 方向的直流脉冲电流，特别适合电力电子器件供电。当a 、b 、c 三相按一定 的顺序循环导通时，电机的定子磁场是一个一步一步前进的步进磁场。定子 磁场的步进角b 大于转子的步进角a ，所以实质上这种电机是一种减速反应 式同步电动机，也称低速同步电机。 多段式反应式步进电机 图2 4 显示了多段式步进电动机的结构，以三相步进电机为例，定转子 齿对纵向排列分布，三段转子齿的中心线从轴向上看去是一致的，而三段定 子齿的中心线依次错开l 3 个转子齿距。三段转子在磁路上是相互独立的， 三段定子绕组独立通电，相当于三个独立的定位电磁铁，当a 、b 、c 三相按 一定的顺序循环导通时，电机就能实现步进运行。这种电机在结构上是对称 的，不会产生不平衡的单边磁拉力。但结构复杂，制造困难，而且工作特性 不够好。存在较大的转矩脉动，并且输出转矩小，过载能力低下。 艄黼q 嘲 砖乎绕掰 j i ：乎嘶 辅予西 辅轴 电帆外先 图2 4 多段反应式步进电机结构图 3 、混合式( h v b r i d ，简称h b ) 混合式步迸电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反 应式相比，结构如图2 5 所示，转子加有永磁体。以提供软磁材料的工作点， 而定子力励磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该 电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势， 其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。 混合式步进电机是除了单段式反应式步进电动机以外另一种十分流行的 步进电机，由于它既具有反应式步进电动机的高分辨率、每转步数比较多的 8 武汉理工大学硕士学位论文 特点，又具有永磁步进电动机的高效率，绕组电感比较小的特点，所以称为 混合式步进电机。这种电机也称为感应子式同步电机。它是一种低速同步电 机，既可以作为步进电机进行开环控制，也可以作为同步电机进行速度控制。 混合式步进电机主要包括两类，即两相式和五相式。两相混合式步进电机是 这类电机中最常见的一种，除了具有步进频率高、反应速度快等优点外，更 为重要的是两相混合式步进电机具有明显的零电流定位转矩，所以应用广泛。 图2 5 混合型步进电机结构示意图 2 1 3 步进电机动态指标及术语 1 、步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距角 眈：塑 历1 z ， 式中z 。转子齿数 m 。运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即m 。= k m m 电动机相数 2 、齿距角 相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。齿距角 口：型 ” z ， 3 、矩角特性 9 武汉理工大学硕士学位论文 矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以 直流电流时，电磁转矩与失调角的关系，即t = f ( e ) ，如图2 6 所示： 孵 彩孓一 尹点 臻赶矗 蝴。 l 图2 6 步进电动机矩角特性曲线 4 、失调角( 8 ) 失调角是转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角， 由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 5 、步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示： 误差步距角术1 0 0 。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5 之内，八拍 运行时应在1 5 以内。 6 、失步 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 7 、最大空载起动频率 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够 直接起动的最大频率。 8 、最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频 率。 9 、运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行 矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 如图2 7 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 一 图2 7 步进电动机矩频特性特性曲线 1 0 、电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一 般在1 8 0 一2 5 0 p p s 之间( 步距角1 8 度) 或在4 0 0 p p s 左右( 步距角为0 9 度) ， 电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上 偏移，反之亦然，为使电机输出力矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般 工作点均应偏移共振区较多。 l l 、响应频率 在某一频率范围内步进电动机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大 频率称为响应频率。通过常用起动频率f s 来作为衡量的指标，它是指在一定 负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限起动频率或突跳频率。 2 2 步进电动机的工作原理 这里以三相混合式步迸电动机为例介绍步迸电动机的工作原理。如图2 8 所示为三相混合步进电动机横截面图，三相混合式步进电动机的定子为三 相六极。三相绕组分别在相对的二个阳极上，且这二个磁极的极性是相同的， 在这一点上，它与三相反应式步进电动机是不同的。它的每段转子铁心上有 八个小齿。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 三相混和式步进电动机的横截面图 从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻 磁极与转子齿的轴线就错开1 3 齿距。例如图2 9 中所示a 段转子铁心的 情况，a 相磁极下定转子齿的轴线重合时，b 、c 相磁极分别与转子齿错开土1 3 齿距，a7 、b 、c7 极下的情况分别与a 、b 、c 极下的情况相同。 图2 9 三相步进电动机定转子齿相错位截面图 当a 相通电，b 、c 相不通电时，由于磁场作用，齿1 与a 对齐，( 转子 不受任何力以下均同) 。如b 相通电，a 、c 相不通电时，齿2 应与b 对齐， 此时转子向右移过1 3 t ，此时齿3 与c 偏移为1 3 t ，齿4 与a 偏移( t 1 3 t ) = 2 3 t 。如c 相通电，a 、b 相不通电，齿3 应与c 对齐，此时转子又向右移 过l ，3 t ，此时齿4 与a 偏移为1 ，3 t 对齐。如a 相通电，b 、c 相不通电，齿4 与a 对齐，转子又向右移过1 3 t 这样经过a 、b 、c 、a 分别通电状态，齿4 ( 即齿1 前一齿) 移到a 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按a 、 b 、c 、a 通电，电机就每步( 每脉冲) 1 3 t 向右旋转。如按a 、c 、b 、a 通电，电机就反转。由此可见，电机的位置和速度由导电次数( 脉冲数) 和 频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。不过出于对力矩、平稳、噪 碜碜 武汉理工大学硕士学位论文 音及减少角度等方面考虑。往往采用a a b b b c c c a a 这种导电 状态，这样将原来每步1 3 t 改变为1 6 t 。甚至于通过二相电流不同的组合，使 其1 3 t 变为1 1 2 t ，1 24 t 这也是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出： 电机定予上有m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1 m 、 2 m ( m 1 ) m 、1 。并且导电按一定的相序变化电机就能正反转被控制 这是步进电动机旋转的物理条件”1 。只要符合这一条件我们理论上可以制造任 何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相 为多。 2 3 步进电动机的控制方法 步进电动机的控制方式经过多年的发展，除了常规的开环步进驱动技术 以外，还形成了升频升压控制，恒流斩波控制，微步进细分控制，矢量控制 技术，电流、位置和速度反馈控制等控制方式。 一、常规开环步进控制 步进电机的常规开环驱动系统由脉冲生成电路、脉冲环形分配电路、功 率驱动电路、步进电机及机械机构等组成。这种驱动系统因为是开环控制， 电机每步只能以整步或半步的方式运行，存在有转换误差、传动误差、传递 误差、间隙非线性等各种误差形式，所以一般很难达到较高的位置控制糟度 朋儿町 0 二、升频升压控制 为了减少低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才使 转子在达到新的稳定位置时步产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前 沿以产生足够的绕组电流，才能提高电机的带载能力。这样就要求驱动器对 绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系，低频时用较低的电压供电， 高频时用较高电压供电。 三、恒流斩波控制 恒流斩波控制技术是目前步进电机控制的主流技术。这种驱动方式采用 脉宽调制( p w m ) 等方式，使绕组相电流无论在低频或高频段工作时都保持基本 恒定。由于电动机的电磁转矩只与电机绕组相电流相关，所以恒流斩波控制 技术能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得以 武汉理工大学硕士学位论文 提高，共振现象减弱。 四、微步进细分控制 步进电机步距角的细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的。通 常采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即同时改变电机两相电流的大小， 使电流合成矢量恒幅均匀旋转。这种方法从理论上消除了相角滞后的变化对 细分角的影响，确保了电机步距角细分的实现。 还有其他一些控制技术这里就不一一阐述，在实际应用中一般不会就使 用单一的某种控制技术来控制步进电动机，往往将几种结合在一起，以达到 在实际过程中不同场合的应用要求。 2 4 步进电动机的点一位控制 所谓点一位控制，就是控制电动机拖动负载( 此系统中指步进电动机带 动表盘转过的角度) 从一个位置运行到另一个位置。对于步进电动机而言就 是控制电动机从一个锁定的位置运行若干步到达另一个位置进入锁定状态， 这就要求电动机实际运行的步数一定要与设定相符。 实现对步进电动机的点一位置控制一般需要在系统内设置两个坐标系， 一个是绝对坐标系，一个是增量坐标系。所谓绝对坐标系，实际上是整个系 统设定的坐标系，此系统中通过一个位置传感器，在每次系统重新启动的时 候步进电动机首先连续运行，直到表盘转到设定的位置，以后就将此位置作 为系统的绝对坐标系，绝对坐标系是在整个系统运行中是不会变化的。增量 坐标系在整个系统中是变化的，例如当前表盘的位置转到相对绝对坐标系为 1 0 。时，如果方向传感器表明当前的度数已经变化为1 2 。，此时将当前的1 0 。 作为增量坐标系，增量值为1 2 。一1 0 。 步进电动机正向运行2 0 步后到达1 2 。 = 2 。，通过细分每步的精度为o 1 。， 处，此后将1 2 。作为增量坐标系。假 设此时方向传感器表明当前的度数已经变化为9 。，则增量值为9 。一1 2 。= 一3 。，步进电动机反向运行3 0 步后到达9 。处，同时将9 。作为增量坐标系。 增量值的正负作为步进电动机的正反转标志。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于s p 嘲的两相混合式步进电动机的控制原理 3 1 两相混合式步进电机的线性解析 两相混合式步进电机的磁网络模型“1 ， 图3 1 是定子绕组励磁是等值磁路图，其中r 、 。和 。分别对应与 二分之一磁钢截面积的等效磁势、内部磁导和漏磁导。 图3 1定子绕组无励磁时的等值磁路图 a 矿a6 、人。、a d 、相应为一端a 、b 、j 、百相每极下的气隙磁导， 人“人6 、人。人d 分别为另一端a 、b 、j 、百相每极下的气隙磁导，不计 铁心饱和及忽略高次谐波时，可表示为 人a = 人o + 人1c o s 见 a b = 八o + 八lc o s ( 见 a 。= a o + 人lc o s ( 包 人d = 人o + 八lc o s ( 皖 人。= 人。一a 1c o s 统 a 6 = a o a 1c o s ( 包 人。= a o 一人lc o s ( 包 八d = a o 一人lc o s ( 包 争 石、 3 万 2 三) 万、 3 石 2 式中人o 气隙磁导的恒定分量，h ； ( 3 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 a 1 一一气隙磁导的基波分量幅值，h ； 见一一定转予齿中心线间夹角的电角度，r a d 。 由图所示，两端极下外部磁路的磁导分别为： a g = a 。+ 人6 + 人。+ 人d = 4 a o 人g = a 。+ a 6 + a 。+ 人d 2 4 人。 外部磁路的总磁导为： ( 3 2 ) ( 3 3 ) + a ，= 2 a 。+ a ， ( 3 4 ) 驴= 等 11 + _ 人j a g ( 3 5 ) 由于外部磁路总磁导人，一定，因而磁钢工作点和总磁通巾。与转子位置 角晚无关。所以由图可得 l ，2 鲁。叁叭2 是吐2 去n 人g人2 1 卟鲁盎“，2 焘a a ga 2 ( 3 6 ) 式中曲。、o ：分别为两端极下每相的每极磁通； 西。一磁钢磁通； a 。、人，分别为两端极下的各极磁导，i = a ，b ，c ，d 。 1 6 工t li ! k i | 八 数系磁漏 亟堡望三查堂堕主兰垡笙奎 于是，二端极下各相磁通分别为 卟最人。 面a2 惫a a 西c 。最a 。 m 一2 最人。 咚忐t ：2 蒜“ 略最a 。 m ：。最a 。 各相总磁通分别为 岭西。：2 羚c o s g 卟卟小篆c o s ( 包一争 卟卟略器c o s ( 咖) 哈卟哈器c o s ( 包一争 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 从式可知，各相总磁通是转子位景角皖的函数。 。曼! ? 警磁时的等效磁路如图3 2 ，其中曩。为a 相的励磁磁势，最：为 ：翟励磁磁势寰磁钢两端产生的等效磁压降。设图中1 ，2 两点的节点磁压葬茹 为u t 。、u ：。则节点磁压公式为： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 定子a 相励磁时的等值磁路幽 兰炎：泼埝裂嚣乏毒欠 c s 吲 一u 1 。人，+ ( a 4 + a 6 + a 。+ + ) = e 。人口j 、。 则 u l a 州：。2 杀死c o s 见 _ 1 同理，设b 、c 、d 相励磁时1 、2 两点的节点磁压分别为u 6 、u 。、u 。 及u ，。、c ，、【，。，则 u ”一u ：。2 互石会b e ac 。s ( 见一三) u 。也。= 丧耻o s ( 晚哪) 也。= 薏即0 s ( 见一争 ( 3 一n ) 设a 、b 、c 、d 相单独励磁时定子磁势在磁钢二端产生的磁压降分别为曩：、 e ：、e ：、e ：，则： e ：2 杀即o s 眈 耻赤即。s 一争 e ：= 杀耻o s ( 眈哪) 耻苌即。瓣争 ( 3 1 2 ) 静转矩的表达式，可以从转角变化时电机内磁共能的增量求出。在线性 条件下，只要分别求出定予励磁磁势在磁钢中产生的磁共能和转子磁钢磁通 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 在定子中产生的磁共能，利用总磁共能对转角求导，即司得剑转矩j 骅析式。 一相励磁时的转距表达式，设a 相励磁，即i = i ，i b _ i 。= i f 0 ，转子磁钢与 a 相绕组交链的总磁链 肾2 z = 等c o s 吼 ( 3 1 3 ) 定子磁共能： 畦盼器c o s 以 c s 叫， 转子磁共能为 嘭z t = 形旷器c o s 吃 ( s 咱) 电动机内总的磁共能 ；= 嘭1 2 + 嘭：- = 等c o s 见 ( s _ 1 6 ) 则转距为 z ：里吐堕：一些! 垃s i n 臼 ( 3 1 7 ) 正2 蔷q r 蔷一首出口。1 7 式中n 一定子每个大极上的绕组匝数： i 一相电流，a ； 2 ，一一转子齿数： e 一定转子齿中心线间夹角的机械角度，r a d ，且见= z ，口 同理可以推导出两相励磁时转矩 咒一胁 惫s i n ( 眈一 ( 3 _ 1 8 ) 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 脉宽调制( p 洲) 技术及其应用 简而言之，p w m 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分 辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进 行编码。p w m 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供 电要么完全有( 0 n ) ，要么完全无( o f f ) 。电压或电流源是以一种通( o n ) 或断 ( 0 f f ) 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到 负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟 值都可以使用p w m 进行编码“。 。喜嘲下陬心二跹焉 图3 3 双极性调制的三相s p w m 波形 p w m 技术是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变成电压脉 冲列，通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控 制技术。p w m 控制技术有多种实施方法。s p w m 是为了克服等脉宽p 删法输出 电压谐波分量较大的缺点而发展起来的，这种方法从电动机供电源的角度出 发，产生一个可调压调频的多相对称正弦波电源，基本的方法是通过一个正 弦波为基准波( 称为调制波) ，再用一列等幅的三角波( 称为载波) 与基准的 正弦波相交，由它们的交点确定电机驱动的逆变器的开关时间。如图3 3 所 武汉理工大学硕士学位论文 示为三相系统的s p w m 波形图，三相电机的每两相的电角度为1 2 0 。，通过三 角载波与正弦调制波的相交点，确定每相的电源开关时间，得到u 、v 、w 三 相的s p 删波形，再通过每两相的电压矢量和合成一个s p w m 波。 有两种方法产生p w m 信号：一种方式是在频率恒定的前提下产生占空比 不同的脉冲；另一种是在占空比恒定的前提下产生频率不同的脉冲，通常被 称着脉频调制( p f m ) 。前一种方法是在固定周期的方波信号下，改变其高电 平的持续时间( 高电平持续时间越长，其占空比越大) 。后一种方法是在固定 时间内产生更多脉冲，工程中经常使用的是固定频率下改变占空比的p w m 技 术。 对直流电机而言，有两种脚m 技术的应用方案：一种是方向一幅值p 涮 信号；另一种是锁相环信号。 蚺 、。狮i。礅i = ， 黼：删一u u 一目f 撕压= ：u 1 _ u u 二囡l 毒吼“册一蛾 f 御“p 涵严，嘉文薹雾毒；熊蒜，、。墓? 姜：i ：麓赫 。，叫铲： 4 ，_ ；， 图3 4 锁相环p w m 信号 方向一幅值p 删信号的名称源于其与电机控制线的连接关系。其一是方 向控制线( 低电平或高电平) 。二是幅值控制线( 占空比的大小) 。这种p w m 技术很容易实现，只需要一根或两根方向线及一根p w m 信号使能线。当停止 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 发送p w m 信号，令使能线不工作，电机停转。在此方案中可以使用h 桥集成 功放电路中的电流反馈线来控制电机。 锁相环p w m 信号仅用一根i o 线为h 桥集成功放电路驱动芯片产生方向 和幅值信息。这种方案可以可