多自由度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

舒宗燕，劉景林，張曉旭

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710129)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是一種將脈沖控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的控制元件。其位移量與脈沖數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，可以通過(guò)控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)精確地定位和調(diào)速，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)和自動(dòng)記錄儀表儀等方面［1］。然而由于制造工藝的限制，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角是有限的，以及存在低頻振蕩現(xiàn)象，常常采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。同時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比關(guān)系，為了降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還需采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在多電機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)用的越來(lái)越多，如天線伺服系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)一種多自由度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛采用集成模塊和專用模塊，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)、降低了成本及提高了可靠性。采用數(shù)字信號(hào)處理器件(DSP)TMS320F2812作為控制核心，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(PBM3960)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(LMD18245)實(shí)現(xiàn)恒流斬波功能。整個(gè)系統(tǒng)可以方便地獨(dú)立改變各個(gè)自由度的細(xì)分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和電流，各個(gè)自由度之間不會(huì)相互影響。

1 細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種可以顯著改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)通常有等電流細(xì)分法和電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。等電流細(xì)分法是保持一相繞組電流不變，另一相繞組電流均勻地增大或減小，這樣合成磁場(chǎng)只旋轉(zhuǎn)原來(lái)電角度的一部分，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角也為原來(lái)的一部分，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。由此可見，等電流細(xì)分法的步距角是不均勻的，容易引起電機(jī)的振蕩和失步，而且磁場(chǎng)矢量幅值也不是恒定的，造成了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)［2］。四細(xì)分時(shí)繞組電流波形如圖1所示。電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法是在m相繞組上通以相位依次相差(兩相為)而幅值相等的正弦電流，其合成電流矢量在空間做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，四細(xì)分時(shí)繞組電流波形如圖2所示。以兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，文獻(xiàn)［3］得出兩相繞組電流:

圖1 等電流細(xì)分法電流波形

圖2 電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法電流波形

其合成電流矢量(以ia為參考):

由式(3)可知，合成電流矢量幅值為Im，幅角為－θ，其運(yùn)行方式為圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按式(1)和式(2)給電機(jī)繞組通以正弦電流，每當(dāng)ia和ib轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)時(shí)間角度Δθ，合成電流矢量同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的空間角度，且成線性關(guān)系，合成電流矢量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)矩與電流成正比，只要保持電流幅值不變，便可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證θ的均勻變化，就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒力矩、均勻細(xì)分步距角驅(qū)動(dòng)［4］。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要將1/4周期的正弦波按細(xì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行等分，再將各個(gè)點(diǎn)的正弦值存入非易失性存儲(chǔ)器(比如FLASH)中制成細(xì)分表。要實(shí)現(xiàn)多種細(xì)分?jǐn)?shù)時(shí)，只要按最大細(xì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行細(xì)分和存儲(chǔ)，其他更小的細(xì)分?jǐn)?shù)都可以從這個(gè)基礎(chǔ)細(xì)分表中得到。比如要實(shí)現(xiàn) 256、128、64、32等細(xì)分?jǐn)?shù)時(shí)，只需制作256細(xì)分的細(xì)分表，其他的細(xì)分?jǐn)?shù)都可以通過(guò)它按照一定的間隔調(diào)出。CPLD是一種根據(jù)用戶各自需要構(gòu)建邏輯功能的數(shù)字集成電路，其編程采用E2PROM或FASTFLASH技術(shù)，在系統(tǒng)掉電后能保存其編程信息。利用CPLD強(qiáng)大的時(shí)序邏輯和組合邏輯功能以及豐富的邏輯資源，能夠方便地實(shí)現(xiàn)細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)的生成和輸出。DSP具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，可以快速地對(duì)每個(gè)角度進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算，從而準(zhǔn)確地生成正弦階梯波。利用TMS320F2812型DSP也可以方便地實(shí)現(xiàn)上述功能。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)包括控制核心DSP(TMS320F2812)、雙通道 D/A(PBM3960)、功率電路(LMD18245)以及過(guò)流保護(hù)電路。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)控制核心帶動(dòng)三個(gè)自由度的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。三個(gè)自由度的硬件電路完全一致，且相互獨(dú)立，可以防止各個(gè)自由度之間相互影響。DSP接收外部輸入信號(hào)并進(jìn)行處理，同時(shí)生成每個(gè)自由度的兩路正弦階梯波形的數(shù)字信號(hào)，雙通道D/A將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)供給功率橋，功率橋接收來(lái)自D/A的控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)芯片帶有過(guò)流保護(hù)電路，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)繞組電流，電流過(guò)大時(shí)切斷繞組電流，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制核心采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型DSP，該芯片內(nèi)部集成128K的片內(nèi)FLASH，因此無(wú)需再外接非易失性存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)復(fù)位、起停、正反、細(xì)分?jǐn)?shù)都是由DSP的通用I/O引腳輸入，這些二進(jìn)制信號(hào)都由撥碼開關(guān)生成。脈沖信號(hào)是控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)節(jié)奏的信號(hào)，在每一個(gè)上升沿步進(jìn)電動(dòng)機(jī)向前運(yùn)動(dòng)一步，其步距角由細(xì)分?jǐn)?shù)決定。它是通過(guò)DSP的捕獲引腳輸入，捕獲引腳能夠檢測(cè)輸入信號(hào)的上升沿，從而觸發(fā)捕獲中斷，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照其他輸入信號(hào)的要求運(yùn)動(dòng)。輸出電流數(shù)據(jù)通過(guò)并行I/O口輸出給各個(gè)自由度，由于其總線位數(shù)有限，所以需要采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)才能滿足數(shù)據(jù)格式的要求。

3 系統(tǒng)電路及程序

雙通道D/A采用PBM3960。圖4為其電路連接圖。該芯片采用高速CMOS技術(shù)制造，是一種7位雙通道數(shù)－模轉(zhuǎn)換器件，供電電壓5 V，輸出模擬電壓范圍Vref－1 LSB。數(shù)據(jù)輸入引腳 D0～D7接DSP的細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，其中前7位是數(shù)據(jù)信號(hào)，第8位是方向位。Vref為參考電壓，典型值2.5 V，改變?cè)撝悼梢哉{(diào)節(jié)輸出電壓的峰值，從而改變繞組電流的峰值。利用分時(shí)復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)雙通道轉(zhuǎn)換，由引腳A0選擇當(dāng)前轉(zhuǎn)換通道，低電平時(shí)選擇DA1，高電平時(shí)選擇DA2。芯片自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前選擇的通道將D7的值賦給Sign1或者Sign2，即根據(jù)D7的值控制繞組A或繞組B的電流方向。為數(shù)據(jù)寫引腳，在的上升沿將D0～D7的值寫入內(nèi)部寄存器，再由D/A對(duì)寄存器的值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為使能信號(hào)，低電平時(shí)芯片有效。DA1和DA2接功率橋的電流給定引腳，分別控制繞組A和繞組B的電流大小，Sign1和Sign2接功率橋的方向引腳，控制兩相繞組的電流方向。

圖4 雙通道D/A電路圖

功率驅(qū)動(dòng)電路采用LMD18245。其電路連接及引腳功能如圖5所示。這是一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部集成一個(gè)單相H橋和功率管驅(qū)動(dòng)電路以及電流傳感器，還集成有一個(gè)4位D/A轉(zhuǎn)換器，整個(gè)芯片能方便地實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。芯片支持最高供電電壓55 V，最大電流3 A，繞組供電電壓從引腳VCC輸入。在本系統(tǒng)中，將內(nèi)部D/A的數(shù)字輸入引腳M1～M4全部置高，由參考電壓輸入引腳DACREF控制D/A的輸出，該輸出電壓將與繞組電流進(jìn)行比較從而進(jìn)行閉環(huán)控制，使得繞組電流時(shí)刻跟蹤給定電流。引腳DACREF接雙通道D/A其中一個(gè)通道的輸出引腳，該電壓值作為給定電流。引腳DIRECTION接收來(lái)自雙通道D/A的方向信號(hào)，控制繞組電流的方向。RC引腳接一個(gè)并聯(lián)電阻和電容，這兩個(gè)元件的參數(shù)決定芯片內(nèi)部單穩(wěn)電路的時(shí)間常數(shù)，使繞組電流的上升時(shí)間持續(xù)固定的時(shí)間t=1.1R1C1。模擬地引腳PGND通過(guò)一個(gè)阻值很小的精密電阻接地，用來(lái)對(duì)繞組電流進(jìn)行采樣，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)電路從而切斷繞組供電，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在CCStudio 3.1環(huán)境下對(duì)DSP進(jìn)行開發(fā)。DSP的主要功能是生成各種細(xì)分?jǐn)?shù)下的細(xì)分電流數(shù)據(jù)以及對(duì)外部芯片發(fā)出控制信號(hào)。細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)主要采用計(jì)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，每間隔一定的角度進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算就能產(chǎn)生正弦階梯波，而間隔的大小則決定了細(xì)分?jǐn)?shù)。外部控制信號(hào)主要是對(duì)D/A的操作，比如對(duì)D/A的讀操作，以及控制功率橋的電流方向。

DSP程序流程圖如圖6所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器上電后，DSP控制程序完成各變量的初始化;之后進(jìn)入主函數(shù)，完成各寄存器的初始化，看門狗計(jì)數(shù)器第一次清零，進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，等待各中斷到來(lái)。DSP程序中共有四個(gè)中斷源，分別是:看門狗清零中斷;捕獲中斷1;捕獲中斷2;捕獲中斷3。如果程序產(chǎn)生中斷，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，之后返回主程序繼續(xù)循環(huán)。看門狗清零中斷是為了程序的正常運(yùn)行，防止程序跑飛，一旦程序跑飛，則復(fù)位DSP，程序從頭開始運(yùn)行。三個(gè)捕獲中斷由三個(gè)自由度的脈沖信號(hào)分別觸發(fā)，一旦捕獲引腳捕捉到脈沖信號(hào)的上升沿，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，讀取相應(yīng)自由度的控制信號(hào)，從而對(duì)相應(yīng)的自由度進(jìn)行控制。

圖5 功率驅(qū)動(dòng)電路

圖6 DSP程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用的是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。供電電壓為15 V，額定電流0.6 A，步距角1.8°。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是對(duì)電流進(jìn)行控制，因此用電流鉗作為電流檢測(cè)工具，用示波器對(duì)繞組電流進(jìn)行觀察，圖7和圖8分別是整步和128細(xì)分工作狀態(tài)時(shí)的兩相繞組電流波形的示波器截圖。

圖7 整步工作時(shí)繞組電流波形截圖

圖8 128細(xì)分時(shí)繞組電流波形截圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三個(gè)自由度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都能完全獨(dú)立正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)相互影響。由圖7可知，整步工作時(shí)兩相繞組電流為幅值相等而相位相差90°的方波，此時(shí)電機(jī)存在一定噪聲和振動(dòng)，在較低的頻率下存在低頻振蕩現(xiàn)象。圖8為128細(xì)分時(shí)的電流波形，由于細(xì)分?jǐn)?shù)比較高，繞組電流已接近正弦波，兩相繞組電流幅值相等，相位相差90°，符合式(1)和式(2)所描述的電流值。此時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，且噪聲和振動(dòng)都得到了明顯的抑制，在低頻時(shí)也能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié) 論

細(xì)分恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠有效地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)地運(yùn)行?；谏鲜黾夹g(shù)的多自由度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠很好地解決多電機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同工作問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度的完全獨(dú)立工作。本系統(tǒng)大部分采用集成模塊，有效地減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，提高了可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于上述原理設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能與理論分析相符合，具有可行性與實(shí)用性。

［1］陳隆昌，閻治安.控制電機(jī)［M］.第3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［2］王曉峰.步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究［J］.井岡山學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，28(10)52 －54.

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