一種高精度的步進電機控制系統設計實現

河南中光學集團研發中心 周 磊 呂瑞云

1.引言

由于超大規模集成電路技術的迅速發展，DSP(數字信號處理器）技術在電機控制領域得到廣泛應用。TMS320F2812系列的DSP芯片具有高速的數字信號能力和專為電機控制而設計的結構，使得高實時性要求和復雜算法在電機控制中實現成為可能。系統通過一種模糊控制方法實現高精度的定位，采用兩重補償反饋和開環控制相結合提供較高的運行效果，失步檢測功能可以進行補償和反饋故障信息，同時提供較高的故障適用性，可獲得近似于伺服電機的性能，具有較高的性價比。

2.控制系統組成

本控制系統由控制器，步進電機驅動器，步進電機、傳動機構、負載、和光電碼盤等組成，系統基本組成圖見圖1。控制器送給驅動器一定頻率和個數的脈沖，驅動器接收脈沖信息和方向信號，碼盤反饋位置信息給控制器，步進電機為直流五相步進電機，傳動機構為蝸輪蝸桿。

系統中采用步進電機作為驅動元件，由于步進電機屬于數字脈沖驅動型，一個脈沖走一步，通過脈沖的個數可以確定其位置，通過脈沖的頻率可以控制轉速。但如果控制做的不好，容易導致失步甚至堵轉，例如當轉臺的速度跟不上脈沖的頻率時，就會失步。當開環系統發生失步時，控制器并不知道系統已失步，此時如果有位置反饋及時糾錯，同時修正系統的加減速控制，就可以使系統繼續正常的工作，這樣提高系統的精度，同時也避免了堵轉現象的發生。

3.系統硬件設計

本控制系統中主要硬件：

圖1 系統基本組成圖

圖2 控制器原理框圖

方位步進電機：五相混合式步進電機，基本步距角0.72度，選配驅動器最大細分256，本系統選用10倍細分，驅動電壓選24v；

俯仰步進電機：五相混合式步進電機，基本步距角0.72度，選配驅動器最大細分256，本系統選用10倍細分，驅動電壓選24v；

中心處理器選：TI公司的TMS320F2812；

位置傳感器選用3600線增量式光電編碼器；

限位開關選用光電限位開關，俯仰和高低各兩個。

控制器用于完成微機伺服命令解釋，在位置反饋下實現步進電機的精確控制，主要包括：微機通訊接口、碼盤接口、碼盤信號處理、驅動電機接口、TMS320F2812、電源等，其中控制主板接口全部采用光電隔離措施，控制器原理框圖見圖2所示。

其中，DSP作為核心處理器實現各種外圍功能和核心算法，FPGA配合DSP實現加減速控制，輸出脈沖信號給驅動器。編碼器的正交信號可以直接送給DSP的碼盤接口由DSP計數，也可送給FPGA進行計數，然后由DSP取，進而減輕DSP的負擔，本系統的編碼器線數為3600線，4倍頻后是14400，小于DSP內部編碼器期寄存器的計數范圍，所以本系統直接采用DSP自帶編碼器器接口實現碼盤位置信息的采集。

4.關鍵技術設計實現

本控制系統為了達到較高的定位精度，還有具有較高的適用性，經濟性和可靠性，在軟件方面做了如下關鍵技術設計研究。

4.1 速度曲線

速度曲線，包含升速曲線和降速曲線，可以采取直線升速，但影響的快速性。比較來說，指數曲線是理想的速度曲線，與電機的電磁轉速轉矩特性相適應。指數速度曲線見圖3。

假設曲線分100段，最高速為15000P/s，以伺服系統的步距角為單位。

指數曲線：EXP(-n/50)

升速曲線：R=15000*(1-EXP(-n/50))

降速曲線：R=15000*EXP(-n/50)

經過理論和試驗分析，升速曲線性能可以，但降速曲線在高速時的降速加速度較大，而電機在高速時的力矩輸入較小，此時速度較高時容易出現失步的現象，所以把降速曲線設計為升速曲線的逆轉過程，經過試驗證明效果很好。另外因從靜止升速時指數曲線的的加速度較大，可以增加在低速階段的運行時間以防止失步，同時也減小了停止時的過沖作用。

4.2 空回補償實現

伺服傳動機構采用渦輪渦桿，變速比60，具有自鎖定功能，并可以大大提高電機的輸出轉矩，但渦輪渦桿機構的固有缺點，具有齒間隙，嚴重影響系統的定位精度。為消除次間隙，系統配用3600線碼盤，進行位置反饋。

空回產生原理說明：效果可以參考下圖，當渦輪逆時針轉動時，渦輪蝸桿的咬合效果如圖，其中吃力面接觸，但另一面具有明顯的間隙，但要反轉時，首先要轉動一個角度克服間隙，然后才能帶動蝸輪轉動。

圖3 指數速度曲線

圖4 過沖振蕩處理程序流程

圖5 二軸運動控制系統組成

空回補償可以在運行整過程或運行開始進行或在運行結束時進行。原理是根據目標位置abc_c_dest(在運行開始時已經計算好的)與當前位置abc_c(需要根據碼盤返回值實時校正的)的差值在PWM中斷中實時更新Pcount，(將要運行的脈沖步數)，如果不用空回補償則此式只計算一次。

PIY.p_count=| PIY.abc_c_dest-PIY.abc_c|

下面就這三種方法進行分析：

1)運行整過程

在一個運行指令的啟動到停止實時計算校正abc_c和Pcount。在低速時，小于30°/s時，沒有明顯問題，轉臺停止時仍在可接受的低速停止，沒有突然停止的感覺。但高于30°/S時，就有突然停止的感覺（停止的速度仍然較高），且速度越高現象越明顯。而這種現象在搖桿模式和內部的定位控制（預置位、掃描、搜索模式）相比，也不同，其中搖桿模式時的現象更明顯（內部停止處理不同），定位控制時不明顯。所以，目前程序的處理在內部定位控制時，采用全程實時計算，但搖桿模式和自動跟蹤模式時，不進行補償。

2)開始階段

全程校正abc_c，當在只降速之前進行實時計算Pcount時，轉臺慢速停止，停止后反向運行，現象非常明顯。說明在減速段已經過沖了，只是此時不根據碼盤校正的abc_c計算Pcount，所以就慢速停止。后由于過沖和振蕩補償，轉臺再次方向運行到目標位置處。

3)結束階段

全程校正abc_c，當在只降速之后進行實時計算Pcount時，轉臺在較高速度處停止。此時，Pcount是一個很大的負數，說明Pcount是突然變為一個較大負數的。

在建筑裝飾裝修當中，常用的清潔能源主要有地熱能源、太陽能與風能等。地球表面空氣流動速率的不斷加快，產生動能，最終形成了風能，合理應用風能，對生態環境不會產生任何污染。太陽能資源是現階段全球應用最廣泛的自然能源之一，能夠實現免費應用，不必進行運輸，應用價值特別高。在建筑室內裝飾裝修設計過程當中，設計人員還要科學應用地熱能源，減少生態污染的產生。

經過以上分析，針對各種模式都采用碼盤反饋補償空回的方案，采用了在降速的最后1/3段，實時校正計算abc_c，全程通過目標位置和但前abc_c計算Pcount，的處理方式，經過試驗，在高速和低速時效果都不錯。

4.3 過沖振蕩處理

轉臺因為慣性的存在，在停止時，會出現振蕩和過沖現象。為提高系統回歸和預置位精度，在一次運行停止后等待100ms，等振蕩或過沖結束后系統最終靜止后，再次根據碼盤反饋數據和目標位置比較，如果大于一定數值則啟動新的運行指令繼續運行直到達到精度要求，此時一個“子運行”過程結束，才處理下一個運行指令。過沖振蕩處理程序流程圖見圖4。

4.4 速度反饋處理

對于步進電機系統，在沒有失步和堵轉的情況下，可以不采用速度反饋。而這些要求在實際中往往難以保證。為提高系統的適應性，抗干擾性，防止在失步或堵轉時出現的嘯叫聲音，同時使系統可以繼續運轉，可采用速度反饋。

速度反饋的實現有兩種方案：碼盤位置的差分處理和PWM中斷中的同步檢測。

1)碼盤位置差分處理：采用定時器的定時采集位置數據，并取差，計算出速度。并與指令速度作比較，然后做相應的處理。

2)PWM中斷中位置同步檢測：中斷一次，轉臺應走一步。計算中斷次數和碼盤的的位置差值，判斷是否失步或堵轉。在失步情況下，減速處理，在堵轉情況下，馬上停止。同時置故障標志，并上傳。

4.5 失步補償檢測

1)在裝配階段，對機械傳動機構進行研磨校正，盡可能減小空回，這需要失步檢測。

2)在運行階段，由于長期運轉造成空回量增加引起失步，此時一方面要檢測到失步并上傳故障信息，同時對失步量進行檢測補償，保證系統依然能夠正常運行，不影響運行效果。

3)當系統出現異常咔滯，無法轉動時，系統嚴重失步，此時上傳故障信息。具體失步檢測流程如附圖4所示。電機每轉N步，即根據碼盤反饋數值計算等效電機步數N1并判斷一次，如果偏差過大，大于K，則認為電機失步，此時即根據失步程度采取降速處理，使其不至于出現脈沖速度與負載速度不匹配引起繼發性失步，同時把失步次數計數器T加1，并上傳失步故障，判斷T值是否大于3，即是否連續3次失步，如果是既認為出現咔滯堵轉，停止運行并上報故障信息，如果|N-N1|值偏差小于參量K，則認為沒有失步，各標志N，N1，T清零并重新進行下一次判斷。

5.具體實例應用效果

根據上述技術方案，設計二軸攝像轉臺步進電機控制系統，系統的所有算法都由DSP實現，一塊運動控制卡實現對方位軸和俯仰軸的控制功能，實現各種運動控制模式，搖桿控制模式、預置位模式、掃描、搜索模式以及自動跟蹤模式等，其中搖桿模式不需要很高的定位精度，所以采用開環控制，速度曲線采用指數加減速曲線，可以達到較高的運行效果，預置位模式需要很高的定位精度，所以采用模糊控制，加上空回補償、停止過沖補償以及碼盤反饋，各種模式下都采用失步檢測功能。系統成本低，定位精度高，適應性好，性價比高。二軸運動控制系統組成見圖5。

本系統最終實現指標：

最大方位回轉速度 ≥ 60°/s

最小方位回轉速度 ≤ 0.1°/s

最大俯仰回轉速度 ≥ 60°

最小俯仰回轉速度 ≤ 0.1°/s

最大工作角加速度 ≥ 60°/s2

回歸與預置位精度 ≤ 0.06°

功能上全部實現系統所要求的功能，并且控制方式更加靈活，可靠性更高。

6.結束語

本文介紹的步進電機控制系統，控制靈活性好，可以實現復雜的控制算法。本系統已廣泛應用于多種視頻監控系統中，實踐表明，按照此方案進行的步進電機控制系統，成本低，精度高，自適應能力強，可靠性高，具有在相關領域推廣的價值。

[1]蘇奎峰,呂強,陳圣儉.TMS320F2812原理與開發[M].電子工業出版社,2005,4．

[2]史敬灼.步進電動機伺服控制技術[M].科學出版社,2006,7.