基于TMS320F2806的混合式步進電機伺服系統

陳志錦，孫洪兵，吳 航

(1.中國兵器工業第58 研究所 數控事業部，四川 綿陽 621000;2.云南昆明船舶電子設備有限公司，昆明 650236)

步進電動機是一種將數字脈沖信號轉換成機械角位移或者線位移的數模轉換元件。在經歷了一個大的發展階段后，目前其發展趨于平緩。然而，由于步進電動機的工作原理和其它電動機有很大的差別，具有其他電動機所沒有的特性。因此，它仍然能根據市場的需求，沿著小型、高效、低價的方向發展。但是隨著工業要求的提高，對步進電動機系統在穩定性、快速響應、寬運行范圍等方面提出了更高要求。由于步進電機開環運行固有的缺點，閉環矢量控制是提高其控制性能的根本途徑。矢量控制是現代電機高性能控制的理論基礎，它可以實現對電機轉矩的高效控制。在此從工程應用的角度出發，采用閉環矢量控制方法，設計了一種以TMS320F2806 芯片作為核心控制單元，結合電流、轉速反饋電路的步進電機伺服系統。

1 系統總體設計

因為混合式步進電機具有凸極型永磁同步電機特性，故本控制系統采用常用的矢量控制策略對步進電機執行控制，如圖1 所示。圖中的坐標變換模塊和SVPWM 利用來自編碼器的位置信息，實現了對電機電壓電流解耦，使步進電機的控制如同直流電機一樣。由于混合式步進電機具有凸極特性，所以電流環的控制適用最大轉矩/電流比控制。

圖1 系統總體框圖

根據混合式步進電機電磁轉矩方程如式(1)所示控制d軸、q 軸電流，實現最大轉矩/電流控制方式。

系統采用類似交流永磁同步電機的三環控制:其中速度環、電流環調節器都采用經典PI 控制器，位置環采用P 調節器。速度控制器的輸出作為電流環的給定，確定了給定電流is后，由式(2)、(3)可以得到直、交軸電流的給定值id、iq。

經過電流控制器輸出后直、交軸電流按照式(4)、(5)進行旋轉坐標系到靜止坐標系變換，此時輸出的電流a、b 相需要輸入的電流。

通過對兩相電壓的SVPWM 控制最后輸出脈沖寬度不同的電壓Ua、Ub到電機繞組。兩相繞組的反饋電流ia、ib按照式(6)、(7)經過坐標變換得到直、交軸反饋電流id、iq，從而構成了電流閉環。

2 系統的硬件實現

如圖2 所示，系統采用TMS320F2806 為主控芯片。主要包括DSP 處理器電路、功率驅動電路和電流/速度采樣電路。

圖2 硬件組成框圖

DSP 處理器電路是系統的核心，用來完成系統所需要的所有計算，包括數字PID 程序、與上位機數據交換程序、矢量控制算法程序及PWM 信號產生程序等。

功率驅動電路主要包含兩部分:驅動電路和功率主電路。驅動電路是將DSP 產生的PWM 信號轉化為足以驅動開關管動作的信號。功率主電路就是一個逆變電路，將外部提供的直流電變換為驅動混合式步進電機的交流電。

電流/速度采樣電路包含電流采樣電路和速度采樣電路。采樣電路作用是將電機繞組中的電流和電機速度反饋到控制器作為控制算法的依據，實現系統的閉環控制。

3 系統的軟件實現

系統軟件主要由3 部分組成，即初始化程序、主程序、中斷服務子程序。初始化程序主要完成系統寄存器設置，變量初始化的工作。主程序主要完成人機交互、系統自檢以及與上位控制系統的信息交互等功能。定時器中斷服務子程序是電機控制的核心程序，完成反饋量的采樣、電流環的控制、矢量控制算法、SVPWM 算法，程序流程圖如圖3 所示。

圖3 中斷程序流程

4 實驗及結果

系統實驗采用步進電機為寶龍公司的24HS1421 -21B2兩相混合式步進電機。圖4 為采用閉環控制電機空載速度響應曲線，速度給定為1 000 r/min，升速時間小于30 ms。與圖5 中開環系統的曲線對比，速度響應快。

圖4 閉環系統空載速度響應曲線( 速度給定1 000 r/min)

圖5 開環系統空載速度響應曲線( 速度給定1 000 r/min)

5 結束語

本文對混合式步進電機伺服系統的設計提供了一種技術方案，給出了實驗結果。實驗顯示出，系統控制性能優于采用開環細分控制的步進系統，可穩定實現起停、正反轉和無極調速等功能，可廣泛應用于目前流行的各種縫制機械和高精度數控機床等。

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