基于dsp的混合式步进电动机细分控制研究（硕士论文）doc

17 基于 引言 步进电动机的细分驱动是通过控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律上升或下降，即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也存在多个中间状态，且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅值决定了步进电动机旋转力矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。 步进电动机的细分控制理论自其产生已经经历了近二十年的发展。过去由于受到电子元器件在开关频率、负载能力、运算速度等诸多方面的制约，很长一段时间细分控制的实际应用很少 。随着微电子技术特别是单片机嵌入式系统及 进电动机的细分控制也得到了充分发展。 目前，步进电动机的细分驱动电路大多都由单片机控制，单片机控制的步进电动机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化。 随着 成了交流电动机矢量控制、直接转矩控制、无刷直流电机控制、永磁同步电机矢量控制等多种先进、复杂的电机控制方式。形成了电动机控制领域的一次新的技术热潮。 18 本章基于 术，结合步进电动 机的细分控制理论实现了对混合式步进电动机的有效控制，并对其关键电路进行了设计。 相混合式步进电动机细分控制原理 24 进电动机角速度波动的特点 步进电动机的平均转速与控制脉冲频率逻辑通电状态1平均转速： 1N (r/s) (3则平均角速度： 122 N (s) (3步进电动机运行时，根据其运动形式的特点，可将整个频域分为极低频、低频和高频等几种运行状态。 1. 极低频运行状态 步进电动机运行在极低频状态时，有 1/即控制脉冲的周期或间隔时间大于停止时间动机每走一步，都是单步响应过程，电动机按其自然频率振荡可衰减到静止。式 (3，电动机的平均角速度很小，但是在自由振荡过程中最大角速度可以达到相当大的值。实际上在该频域内电动机处于断续运行状态，角速度波动很大，在其正的最大值和负的最大值之间变化。 19 2. 低频运行状态 步进电动机运行在低频状态时，有01 / 4f f，在这个频段内，控制脉冲的时间间隔比停止时间小，单步的角速度振荡不能衰减到零。但是控制脉冲的间隔时间比自由振荡周期的四分之一要长，所以一般有过冲或超调。在这个频段内启动电动机时，初始条件比较复杂，在不利的情况下可能产生明显的振荡，包括0这就是通常所说的低频共振点。 3. 高频运行状态 高频运行状态时，有4在这个频段内，控制脉冲的周期小于自由振荡周期的四分之一 ，所以在这一频段内电动机启动时，第一步的角位移肯定不会超过一个步距角，即产生滞后的动态误差。电动机连续稳态运行时，也就不会有步进的感觉。于是把04为步进电动机进入高频运行频域的分界线，也就是步进电动机进入比较连续平稳运行的分界线。 从以上分析可以看出，步进电动机在低速时易出现低频振动现象。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。为此当步进电动机在极低频运行状态和低频运行状态这两个频段运行时，有必要采用细分控制技术，降低电动机转矩波动和角速度波动，提高速度控制精度，减少运转噪音，提高电动机使用 20 寿命。 相混合式步进电动机细分驱动的基本原理 从前一章（ 中 步进电动机的电磁模型可知，当步进电动机两相同时通电流时，不计铁心饱和的影响，应用叠加原理，可得到步进电动机的电磁转矩： s i n c o se o a e o b eT k i k i (3两相混合式步进电动机的距角特性为正弦曲线这一特性非常重要，它是步进电动机 细分控制得以实现的理论基础。 当转子稳定在某一位置时，即 0则： s in c o sa e b (3为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，假设 A 相电流的变化取三角函数关系，即： (3则： (3式中 为电动机轴预置位置的电角度。 则步进电动机的电磁转矩式 (3表示为： s i n ( )e o m eT k i 21 (3此时，两相混合式步进电动机可以作为一台多极两相永磁同步电动机分析，如果转子有它的特性相当于一台 2p (此例 2p =8)个极的两相同步电动机。对于理想化模型（不计铁心饱和的影响），两相混合式步进电动机定子两相分别通入模拟的正、余弦电流则可得到类似同步机的转矩特性，使电动机均匀旋转。微步驱动正是用有限的数字化电流模拟正余弦电流，从而得到比较好的控制效果。 当电动机转子由 转过 090 电角度，电动机则转过一个步距角。按式 (3电动机 A、 当 变化 01 ，步进电动机转子就转过 1/360 的步距角，从而实现电动机的 360 细分控制。由 的不同就可以确立不同的细分方式。图 3 取 /16 步长，即电动机 8 细分时在一个步距角内电机 A、 B 相电流的变化情况。 2 B 相 电 流 理 论 值B 相 电 流 实 际 值A 相 电 流 理 论 值A 相 电 流 实 际 值0图 3、 B 两相在 8 细 分时的电流变化情况 细分时两相电流的值可按下式计算得到： 22 0090c o s ( )90s i n ( )i i (3其中： n 为细分数； s 为步数。 式 (3为两相混合式步进电动机电细分数学模型。由此可见，对于不同的细分数，便可以实现步进电动机的细分驱动。 由图 3知，实际实现的是一条多阶梯的梯形曲线，用来拟合需要的正余 弦曲线，所以也将其称之为拟正弦曲线。理论上，只要将细分的步长设置得足够细（实际受电动机自身性能与控制器性能的影响不可能一直细分下去），此时的两相混合式步进电动机在特性上就是一台多极两相永磁同步电机。 通过分析，我们可以看到，例如在 8 细分控制时，电动机整步步进时的每一步此时需要前进 8 个微步，在细分数提高后电动机每一个整步需要的微步数更多，也就是每个微步的步距角更小。同样的时间间隔，电动机整步运行时每前进一步，在细分控制时就要前进许多的微步。这样当步进电动机低速运行时采用细分控制后，就可以降低电动机转矩波动和角 速度波动，从而达到提高速度控制精度、减少运转噪音、提高电动机使用寿命的目的。 于 步进电动机细分驱动及其实现 进电动机细分驱动方案的选择 23 实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电动机运行平稳性的一种行之有效的方法。步进电动机细分运行时，细分的均匀性是首先要考虑的。通常步进电动机细分驱动有等电流细分驱动和电流矢量恒幅均匀旋转法。等电流细分驱动法在每次绕组电流进行切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是在一相绕组电流保持不变的情况下，另一相绕组电流均匀地增大或减小，这样 电动机的合成磁场只旋转原电弧角的一部分，转子转过的角度也为步距角的一部分，实现了步进电动机的细分驱动。这时额定电流是台阶式的通入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角。 步进电动机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电动机的励磁绕组中电流的控制，使步进电动机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电动机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电动机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。 由于等电流细分驱动法在原理上不能保证均匀细分步距角 ，而步距角不均匀又容易引起步进电动机的振荡和失步。另外，由于电流矢量的幅值不断改变，输出力矩的大小也无法保持恒定。 因此，要想实现对步进电 动机的恒力矩均匀细分控制，必须合理控制电动机绕组中的电流使步进电动机内部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角度变化也要均匀。 24 我们知道 在空间上彼此相差 2m的 m 相绕组，分别通以相位上相差 2m而幅值相同的 正弦电流，则合成的电流矢量（或磁场矢量，这里认为电流矢量与磁场矢量成线性关系）便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。 目前报道的步进电动机细分驱动器多采用量化的梯形波、正弦波作为细分驱动的驱动电流波形，但事实上这些电流波形在一般的步进电动机上均不能得到满意的细分精度 25。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于 制的斩波恒流细分驱动方案及实现技术。 两相混合式步进电动机简化结构图如图 3示，步进电动机的电角度为 090 ，则通入的电流相位也应该为 090 。 图 3相四拍混合式步进电动机简化结构图 当步进电动机的两相相电流按式 (3化时，则合成电流矢量 以 25 2 ( ) ( )22j j j j j b i i e e e e e i r r r (3这是一个以 为幅角。这样，每当 的值发生变化时，则合成的矢量转过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，实现了恒力矩、均匀步距角的细分驱动。利用 式 (3得到 n 细分后 A、 化后制成表格的形式存入 进电动机运行时，只要从表中取出与步数 s 相对应的电流数据送入控制电路中，即可实现对步进电动机相绕组电流的控制，从而达到细分步距角的目的。 其硬件电路设计 为了简化电路，减小体积，本文采用了 制细分驱动电路的方案。 制的步进电动机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种。放大 型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受 出的电压控制，电路较为简单，电流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作在放大状态，使功放管的功耗较大，发热严重，容易引起晶体管的温漂影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此该电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。 开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制（ 两 26 种。斩波式细分驱动电路不断对电机绕组中的电流进行检测，并通过反馈电阻转换为电压形式，然后和 D/A 转换器输出的控制电压进行比较，若检测出的值大于控制电压，电路将使功放管截止，反之，使功放管导通，这样保证了绕组两端的电压与 D/宽调制（ 细分驱动电路是把 D/A 转换器输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。 斩波恒流细分驱动方案的原理为：由 出 存储的细分电流控制信号，经 D/与取样信号进行比较，形成斩波控制信号，控制各功率管前级驱动电路的导通和关断，实现绕组中电流的闭环控制，从而实现步距的精确细分。系统框图如图 3示。 27 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 P 微处理器前级驱动和功放电路斩波比较电路D / / 滤 波 /放大电路保护电路参数输入状态显示通讯接口件系统原理图 由前面分析可知，为了克服诸多不利因素，我们选择处理速度很快、接口功能强大、片上资源丰富，非常适合用于各种监测与控制的美国德州仪器公司 （ 为检测控制单元的处理器。 司的 列 有改进的哈佛结构，可以通过外部总线分别访问数据、程序、 I/O 三个独立的寻址空间，其具体的片上资源和技术特点如下： (1) 高性能的静态 术， 4种用于减少功耗的省电方式 (2) 5020指令周期 (3) 存储器 片内由 544 字节的双口 28 16K 字节的 共 244K 字节的存储器寻址空间 (64K 字节的程序空间， 64 64K 字节的 I/O 空间和 32K 字节的全局空间 )； (4) 事件管理器 ( 12 个比较 /脉宽调制 (道； 3 个 16位通用定时器； 3 个 16位全比较和简单比较单元； 4 个捕获单元，其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力； (5) 2 个 8通道 10 位模数转换器 (6) 28 个独立可编程多路复用 I/O 引脚 (7) 带适时中断 (看门狗 (时器模块 (8) 异步串行通讯接口 9) 同步串行外设接口 10)基于扫描的仿真 面就对基于 制的步进电动机细分驱动主要电路分别加以介绍。 29 由 振电路、地址锁存器、译码器、 控步进电动机的细分倍数、启停频率、运行频率、行走步数、正反转、电动机清零、以及启停信号等的控制既可由键盘进行，也可通过与上位机的串行口通信通道由上位机设置。状态显示提供当前通电相、相电流大小、电动机运行时间、当前运行步数、正反转等的显示，并将工作状态和数据传送给上位机。单 片机的主要功能是输出 。根据转换精度的要求， D/位的，亦可选择 12位的。本系统选用 位 D/16。 16把 4个 D/个比较器组合在单个的 C(上， 4个 D/个转换器的输出电压均可采用下式表示： / 2 5 6D A C i R E N (30 ,1, ., 2 5 6N ，对应于 8位的 输入码 0D 7D （此处为细分电流控制信号），通过调节可调节步进电动机绕组中电流的幅值。 2功率驱动电路 工作中，步进电动机细分电流控制信号的 D/A 转换值0 16 内部各比较器 同向输入端，绕组电流取样信号反向输入端。斩波恒流驱动采用固定频率的方波与比较器输出信号调制成斩波控制信号，控制绕组的通电时间，使反馈电压。合理选择续流回路就可使绕组中的电流值在一定的平均值上下波动，且波动范围不大。 调制用方波信号频率为 产生，且各相是同频斩波， 不会产生差拍现象，所以消除了电磁噪声。为防止因比较器漂移或干扰导致功率开关管误导通，把斩波控制信号与相序控制信号相与后去控制功放管。 当开关管截止时，并联 恢复续流二极管 D、绕组 L 及主电源构成泄放回路。与单纯 R 释能电路相比 ， 能电路使功耗和电流纹波增加较小，而电流下降速度大大加快。电流取样信号由精密电流传感放大器 71 完成。当绕组电流流过其内部 35精密取样电阻时，经内部电路变化，转换为输出电压信号： ( 5 0 0 / )o u t o u t L O A I A A (3其中71 外部调压电阻，阻值按设计要求选定。71 同时具有电流检测与放大功能，从而大大方便了整个电路的设计与调试。 功率开关管 (功放管 )是功放电路中的关键部分，影响着整个系统 31 的功耗和体积。由于所设计的驱动器主要用来驱动额定电流 3A、额定电压 27V 以下的步进电动机，故选用高频 率场效应晶体管40 (00V，7A)作为开关管。 40导通电阻很小。因此，即使电机长时间运转，该 壳本身的温度比较低，不须外加风扇。 为了提高步进电动机的工作可靠性，消除电机电感性绕组的串扰，本系统无论从驱动部分还是反馈部分都进行了隔离。驱动隔离采用高速光耦合 器 6隔离元件，一方面可以实现前级控制电路 同步进电动机绕组的隔离，另一方面使功率开关管的驱动变得方便可靠。反馈通道的滤波部分采用无源低通滤波器，其作用是高速衰减绕组 (电感线圈 )在开关时截止频率以上的瞬时高频电压信号，从而避免控制电路做出太迅速的反应，可以有效地防止步进电动机的振荡。线性光耦电路的作用是将滤波后的采样电阻反馈信号线性地传输给比较器。 3恒流斩波控制环节 如图 3示，本系统采用德州仪器公司的 实现恒流斩波功能，其核心部分为脉冲宽度比较器，并具有 1 个振荡器、 2 个运算放大器、 1个触发器和 1个 5压源等，其 5、 6 脚外接 T 确定了振荡器产生的锯齿波频率。在实际应用中 定了振荡器产生的锯齿波频率。在实际应用中采用其中一个运算放大器作为恒流 32 斩波的控制单元，电流给定由一个运算放大器 成的射极跟随器给出，实现了恒流给定与 内部运算放大器的隔离，提高了给定的抗干扰能力。调节器采用 流反馈经过一阶低通滤波接至运算放大器的 1 脚，增加了电流检测的抗干扰能力； 4 脚为死区控制端，在该端加入 下的电压后可将 最大占空比提高到 100%，减少功率管的开通和关断损耗。 1 21 51 071 691 381 11 4321I C 1 1R 3 6I C 1 2 : 1 6 : 2R 4 8C 1 9R 4 0C 2 0P 2R 6 0R 4 3C 1 8C 1 7R 3 7R 4 7P 3R 4 14 6523231+斩 波 信 号V S 0- I N 1F 1 E C 1V C C+ I N 2E 2G N N 2E 1O 0R 3 8图 3恒流斩波控制电路 本系统采用“上斩下不斩”的驱动方式实现恒流斩波功能，下面仅以一个工作节拍为例来说明调节原理，如图 3示。在 间 ，则 高，大于锯齿波电压，则 8脚输出为高电平，则 为 33 无效电平，关断 直降到 刻又开始了下一斩波周期，从而实现了恒流斩波调节。 t/t2 t3 3流斩波工作原理 4电流反馈电路设计 步进电动机 A、 B 相绕组电流的采样信号从功率驱动电路的个采样点以电压的形式输出，由于采样电阻为 2W，所以对 2A 的绕组电流输出的电 压即为 1V，因为绕组电流存在正反向，则输出电压也存在正反向。这一电压需要送到电流反馈电路进行限幅、偏置等处理。 6547T L 0 8 42 7 7 v+5 7 7 F H 0 8 4R S 1R 1 2R 1 3R 1 1R 1 0电流反馈电路 图 3 A 相电流反馈电路， B 相电流反馈电路与之相同。从图 34 中可以看到，在第一级运算放大器输入电压0 0161(3通过调节可变电阻 1按比例调节0反馈电压的幅值在某一个范围内变化，第二级运算放大器为一升压电路，使其输出电压2 2161a a R E F H (3通过第二级运算放大器可以使输出到 3 5过电流保护电路设计 为防止烧毁 片需要对其数字电源进行过电压 /欠电压保护，这里使用了芯片 具有的过电压和欠压保护功能，这里不再详述。另外本系 统需要保护的是步进电动机，为防止步进电动机故障烧毁，系统必须在电动机绕组电流过高时停止对电动机供电。为此设计了过电流保护电路如图 3示。 42312 . 9 3 5 8R 1 6R 1 3 7 5 图 3动机电流保护电路 如图 3示，过电流保护电路采用了 较器，由两只分压电阻 5V 电压分压至 1V，送到比较器同相端。 电流采样电路送来的 A、 B 两相电流信号经过两只二极管送比较器反向端，比较器输出 信号经过电平转换后送处理器的 脚。平时比较器反向端的电压较低，所以比较器输出 都是高电平。以 何一处的电压超过 输出一低电平。这个低电平信号将在 片内部产生一个最高等级的中断，使 号停止输出，则电动机断电。电阻 电容构成一个滤波环节，防止系统因外界干扰而误触发。由于电动机绕组电流采样电阻为 ，对应于 动机电流为 此当电动机电流超过 系统将保护动作。 步进电动机细分驱动器的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成，结构如图 3示。 36 主程序细分驱动程序监控程序键处理程序显示程序图 3制软件结构框图 下面对于细分驱动控制软件设计中的主要问题分别加以介绍。 （ 1）主程序。主要包括各个中断出入口的定义、各个模块初始化、微步进步长 s 的计算、电流差值的求取、电动机旋转方向的确定、外部命令信号的采集和处理以及 号生成等内容。 步进电动机控制软件主程序在 所有初始化后就打开 行通讯中断，读取上位机发送来的各种外部信号，这些信号包括电动机旋转的方向选择、转速大小选择、开机 /停机信号。以及通过读取拨位开关确定电动机给定电流的峰值大小。在转速由上位机给定后，最关键的任务就是计算细分步长 s。计算细分步长 s 的工作主要按以下步骤完成24。 第一步，求事件管理器 A 的 时器的计数频率。本设计选用时器 存器的计数周期为 256，由于 时钟频率为8以 时器的计数频率为： / 2 5 6 3 1 2 5 0 (3 37 第二步，求步进电动机脉冲频率。以电动机转速 240 转 /分钟计算，假设步进电动机的步距角为 则可以求出步进电动机步进脉冲频率为： 00( 2 4 0 / 6 0 ) * 3 6 0 / 1 . 5 9 6 0 (3第三步，求得电动机细分数为： / 3 1 2 5 0 / 9 6 0 3 2f f (3第四步，求步长值： 2 5 6 / 8 (3在步长值求出后，就可以查表求出电流给定的基值，结合电动机给定电流的峰值输入，就可以确定电流的给定值。再读取电流反馈 出的差值经 成 号后，结合 电动机正反转信号输出一起送到电动机功率驱动电路，实现电动机驱动运行，主程序具体的流程如图 3示。 38 开始D S P 内 部 寄 存器初始化A D C 模 块初始化E V A 初 始 化S C I 初 始 化读上位机输入信息确定给定电流峰值确定细分步长 D C 电 流信号实际值求差值，生成斩波信号P W M 、 I / 应中断，停机停机？停机程序流程图 在主程序中电动机旋转方向由 I/ （ 2）函数表的形成。 本文采用了类似于文 24中的方法。在实时 用中实现非线性运算，一般都采取适当降低运算精度来提高程序的运算速度。查表 39 法是快速实现非线性运算最常用的方法。采用这种方法必须根据自变量的范围和精度制作一张表格。显然，输入的范围越大，精度要求越高，则所需的表格就越大。查表法所需的表格就越大，即存储量也越大。查表 法求值所需的计算就是根据输入值确定表的地址，根据地址就可以得到相应的值，因而运算量较小。对于正余弦函数而言，由于正弦函数是周期函数，函数值在 1 和 1 之间，用查表法比较适合。 在 处理器中，采用定点数进行数值运算，其操作数采用整型数来表示。一个整型数的最大表示范围取决于 长越长，所能表示的数的范围越大，精度也越高。本设计采用 16 位字长。采用的定点数定标为 定点运算方式可参考有关技术资料。 表示范围为 32767 32768 之间， 此时 1 用 32767 来表示， 1 用 32767 来表示。对于正弦函数 )，制作一个 512 点的表格并实现查表的方法如下： 首先，产生 512 点值的 C 语言程序如下表示： #N 512 #512 12 ) i； 40 i=0； 表 1 细分电流数读 表 2 细分电流数选择相序s128？读 表 1 细分电流数读 表 2 细分电流数细分计数器减1到达细分数？56 细分时的软件流程图 （ 4） A/D 转换程序模块。 模数转换模块（ 有以下特性： 带内置 S/H 的 10位模数转换模块 多达 16 个模拟输入通道（ 自动排序的能力，一次可执行最多 6 个通道的自动转换，每次 42 转换的通道可以通过编程选择； 可单独访问 的 16 个结果寄存器（ 来存储转换结果，多个触发源可以启动 换； 灵活的中断控制允许在每一个或隔一个序列的结束时产生中断请求； 内置校验模式和自测模式； 由于 模数转换模块（ 模拟信号转换为10 位数字量，电动机电流的最大值由拨码开关设定，此处假设为 电动机绕组正向通电时检测到的电压为 应的数字量为1024。电动机绕组反向通电时检测到的电压为 经过偏置后输出电压为 应的数字量为 0。另外， 模数转换模块（ 用级连工作方式下自动排序，在这种工作方式下 以通过模拟输入通道的多路选择器 转换结束后，转换后的数值结果保存在该通道相应的结果寄存器 （ 中。 在一个排序中的转换个数受 位段域控制，这个值在自动排序开始时被装载到自动排序状态寄存器中，当排序器从通道 1 开始有顺序的转换时，自动排序状态寄存器的值向下递减直至为 0。 换模块所有需 要转换的 号以及转换通道 43 选择见表 3 表 3换通道设置 属通道 最输入信号 均结果寄存器 最信号内容 存器设置 4A 相电流 B 相电流 5 转速给定 电流峰值给定 由于在电动机控制器的 号中步进电动机两相电流的采样至关重要，所以在每一次 道循 环采样过程中对通道 样两次，并取两次采样的平均值作为电动机电流的检测