《基于dsp的混合式步进电动机细分控制研究（硕士论文）doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于dsp的混合式步进电动机细分控制研究（硕士论文）doc.docx（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、基于DSP的混合式步进电动机细分控制研究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DSP技术的飞速发展以及现代电力电子技术的突飞猛进，步进电动机的
2、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DSP技术的出现和发展，形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。本章基于DSP技术，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。3.2两相混合式步进电动机细分控制原理!243.2.1步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成正比
3、，与逻辑通电状态N,及转子齿数z,成反比，即平均转速：阳必S)(3-1)则平均角速度：=2n=2Z(rads)(3-2)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fsWlT,即控制脉冲的周期或间隔时间大于停止时间T,的频域。电动机每走一步，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(3-2)中，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。2 .低频运行状态步进电
4、动机运行在低频状态时，有lTvf.v4f0,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f,二f,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f。4f6o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f=4f作为步进电动机进入高频运行频域的分
5、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，提高电动机使用寿命。3.2.2两相混合式步进电动机细分驱动的基本原理从前一章3)节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：T4=-k,i4sin+k,i,cos(3-3)两相混合式步进
6、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T=O,则：iosin=i,cos(3-4)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：i=icos(3-5)则：i,=i,sin(3-6)式中0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(3-3)可表示为：T=k,isin(-0)(3-7)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z,个齿，则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
7、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A到B转过90电角度，电动机则转过一个步距角。按式(3-7)对电动机A、B两相电流进行控制时，每当。变化1。，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3-1是0取冗/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。图3TA、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:.,90、ia=lmCOS(S)(3-8)n
8、90nift=sm(S)n其中：n为细分数;S为步数。式(3-8)即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3T可知，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
9、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。3.3基于DSP的步进电动机细分驱动及其实现3.3.1步进电动机细分驱动方案的选择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
10、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
11、。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。我们知道在空间上彼此相差变的m相绕组，分别通以相位上相差茎三辎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29o本文在选择了合理的电流波形
12、的基础上，提出了基于DSP控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3-2所示，步进电动机的电角度为90,则通入的电流相位也应该为90。A图3-2两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（3-8）变化时，则合成电流矢量i（以。为参考）：7=+-2(+Q)-工(一，)=/“(3-9)22j这是一个以i。为幅值，a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(3-8)可得到n细分后A、B两相的驱动电流大小，量化后制成表格的形式存入DSPo步进电动机运行时，只要从表
13、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。3.3.2恒流斩波细分驱动方案及其硬件电路设计为了简化电路，减小体积，本文采用了DSP控制细分驱动电路的方案。DSP控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DSP输出的电压控制，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
14、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(PWM)式两种。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/A转换器输出的控制电压一致。脉宽调制(PWM)式细分驱动电路是把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DSP输出EEPR
15、oM中存储的细分电流控制信号，经D/A转换成模拟电压信号，再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3-3所示。图3-3硬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(TI)TMS320F240系列DSP(DigitalSignalProCeSSOr)作为检测控制单元的处理器。TI公司的TMS320F240系列DSP具有改进的哈佛结构，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
16、具体的片上资源和技术特点如下：(1)高性能的静态CMoS技术，4种用于减少功耗的省电方式(2)50ns(20MIPS)指令周期(3)存储器片内由544字节的双口RAM;16K字节的FlaSh; 共244K字节的存储器寻址空间(64K字节的程序空间，64K字节的数据空间，64K字节的I/O空间和32K字节的全局空间)；(4)事件管理器(EV) 12个比较/脉宽调制(PWM)通道； 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(ADC)(6) 28个独立可编程多路复用I/O引脚(7)带适时中断(R
17、Tl)的看门狗(WD)定时器模块(8)异步串行通讯接口SCl(9)同步串行外设接口SPI(IO)基于扫描的仿真JTAG下面就对基于DSP控制的步进电动机细分驱动主要电路分别加以介绍。1 .控制电路DSP系统是控制电路的核心，它由Tl公司的TMS320LF2407ADSP微处理器、晶振电路、地址锁存器、译码器、EPROM及EEPRoM存储器等组成。受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
18、和数据传送给上位机。单片机的主要功能是输出EEPRoM中存储的细分电流控制信号进行D/A转换。根据转换精度的要求，D/A转换器既可以选择8位的，亦可选择12位的。本系统选用MaXim公司的8位D/A转换器MaXim516。Maxim516把4个D/A转换器与4个比较器组合在单个的CMOSlC（DlP20封装）上，4个D/A转换器共享一个参考输入电压V。每个转换器的输出电压均可采用下式表示：Vo4g=VN256（3-10）N=O,1,256,对应于8位的DAC的输入码D。-D,（此处为细分电流控制信号），通过调节V的变化范围，便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
19、机细分电流控制信号的D/A转换值u,输入到Maxim516内部各比较器CoMPi的同向输入端，绕组电流取样信号v,输入到COMPi的反向输入端。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V,始终跟随D/A转换输出的控制电压U,。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21.74kHz,由DSP的PWM端产生，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RC、快恢
20、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，RC释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MAX471完成。当绕组电流流过其内部35mQ精密取样电阻时，经内部电路变化，转换为输出电压信号：V=R(1o4p500AA)(3-11)其中R.为MAX471外部调压电阻，阻值按设计要求选定。L,o为流过精密电阻的相绕组电流。MAX471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
21、步进电动机，故选用高频VMOS功率场效应晶体管IRF540(V=100V,Rs(on)=0.052,I,=27A)作为开关管。IRF540导通电阻很小。因此，即使电机长时间运转，该VMoS管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6N137为隔离元件，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
22、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3-4所示，本系统采用德州仪器公司的TL494来实现恒流斩波功能，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5V基准电压源等，其5、6脚外接CT、RT确定了振荡器产生的锯齿波频率。在实际应用中RT确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斩波的控制单元，电流给定由一个运算放大器LM324构成的射极跟随器给出，实现了恒流给定与TL494中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Pl控制
23、，电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-03V以下的电压后可将PWM的最大占空比提高到100%,减少功率管的开通和关断损耗。j 10图3-4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3-5所示。在tl-t2区间IfIRef时，则V3升高，大于锯齿波电压，则8脚输出为高电平，则IR2130的驱动信号为低电平，即为无效电平，关断MoSFET,If下降，一直降到t3时刻又开始了下一斩波周期，从而实现了恒流斩波调节。图3-5恒流斩波工作原理4 .电流反馈电路设计步进电
24、动机A、B相绕组电流的采样信号从功率驱动电路的ADCO0、ADCOl两个采样点以电压的形式输出，由于采样电阻为0.52W,所以对2A的绕组电流输出的电压即为IV,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。图3-6为A相电流反馈电路，B相电流反馈电路与之相同。从图中可以看到，在第一级运算放大器输入电压U。与输出电压U。之间存在如下关系：UL黑心（3-ZVO1通过调节可变电阻RSI可按比例调节U。使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U。，存在如下关系：%=MUJLw（3-13）KI通过第二级运算放大器
25、可以使输出到DSPA/D模块的电压在03V之间变化。5 .过电流保护电路设计为防止烧毁DSP芯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TPS7333QD所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3-7所示。图3-7电动机电流保护电路如图3-7所示，过电流保护电路采用了LM358比较器，由两只分压电阻RI6、R17将+5V电压分压至IV,送到比较器同相端。R13为正反馈电阻。由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
26、较器输出PlNTA端信号经过电平转换后送DSP微处理器的PDPlNT引脚。平时比较器反向端的电压较低，所以比较器输出PINTA端都是高电平。由于二极管正向导通压降约为O.7V,所以ADCO0、ADCOl任何一处的电压超过1.7V时比较器将触发，在PlNTA端输出一低电平。这个低电平信号将在DSP芯片内部产生一个最高等级的中断，使DSP的PWM信号停止输出，则电动机断电。电阻R4和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0.5欧，对应于L7V的触发电压，电动机电流为3.4A,因此当电动机电流超过3.4A时系统将保护动作。3.3.3步进电动机细分驱动的软件实现
27、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3-8所示。图3-8控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PWM信号生成等内容。步进电动机控制软件主程序在所有初始化后就打开SCI串行通讯中断，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
28、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24t-第一步，求事件管理器A的GP定时器的计数频率。本设计选用GP定时器TIPR寄存器的计数周期为256,由于DSP的时钟频率为8MHz,所以GP定时器的计数频率为：(3-14)fr=f256=31250HZ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L5,则可以求出步进电动机步进脉冲频率为：fm=(24060)*36071.5o=960Hz(3-15)第三步，求得电动机细分数为：n=frlfin=31250196032(3-16)第四步，求步长值：s=256m-
29、(3-17)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ADC模块送来的电动机绕组电流实际值，求出的差值经PlD环节后送PWM信号生成子程序，生成PWM信号后，结合DSP的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3-9所示。在主程序中电动机旋转方向由DSP的I/O口的K)PB4和I0PB5输出相位不同的逻辑信号决定。(2)函数表的形成。本文采用了类似于文24中的方法。在实时DSP应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。查表法是快速实现非线性运算最常
30、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，函数值在一1和+1之间，用查表法比较适合。在TMS320LF2407ADSP微处理器中，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DSP芯片所给定的字长，字长越长，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Q15,DSP的定点运算方式
31、可参考有关技术资料。Q15的表示范围为一3276732768之间，此时+1用32767来表示，一1用一32767来表示。对于正弦函数y=sin(x),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：#defineN512definepi512intsin_tab512voidmain()inti;for(i=0;i:A相： Glii 1 A/div.I1IIIfftliIiy.1l1I11i.111III1Ii11图3-14电动机在16细分时A、B两相的驱动电流波形图3-15电动机在64细分时A、B两相的驱动电流波形从以上实验结果可以看出，提高细分数后，可以降低绕组电流的脉动。3.5小结本章介绍了两相混合式步进电动机工作频域的划分及角速度波动的特点，说明了引入细分控制的必要性，详细介绍了两相混合式步进电动机细分控制的原理；并基于DSP技术，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。最后给出了细分控制的实验结果。
