DSP精準控制步進電機的研究

摘 要：根據步進電機控制系統的原理，介紹一種基于DSP的精準控制系統，進行該控制系統的軟硬件設計。DSP中央控制器采用TMS320F2812，通過PWM脈沖信號的頻率、數量來控制步進電機的轉速和位置，另外，也能通過光電編碼器來實現對步進電機轉速和位置的控制。該控制系統軟硬件結構均較為簡單，非常實用，且價格便宜。

關鍵詞：DSP；步進電機；控制系統；信號

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 14-0000-02

DSP是一門涉及多門學科的新興學科。20世紀60年代，計算機技術和信息技術的發展推動DSP的發展，其通過使用數字技巧執行轉換或提取信息，實現處理現實信號的目的，這些信號由數字序列表示。在過去的二三十年里，DSP已在通信領域得到廣泛應用，德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域有較強的實力。

步進電機作為一種快速啟動、反轉、制動的執行元件，其能將電脈沖轉換為相應的角位移和直線位移，在開環情況下能實現動靜態定位，實現自鎖功能；作為一種數字伺服執行元件，其結構簡單、運行可靠、控制性能好，被廣泛應用于數控機床、機器人、控制儀表等電子產品中。本文就步進電機的控制系統進行簡要介紹。

一、總體結構

該控制系統采用DSP中央控制器TMS320F2812，其總體設計方案如圖1所示，其DSP中央控制器是TI公司主推的一種高性能、低價位的32位DSP信號處理器，處理速度高達72MIPS，除了集成RAM、Flash和定時器外，還有A/D轉換器、PWM控制器、CAN總線控制器等模塊，非常適用于電機、電源變換等對實時性要求高的控制系統。

二、硬件系統設計

本系統的硬件設備主要有DSP中央控制器TMS320F2812、步進電機及驅動、光電編碼器、鍵盤、液晶顯示屏等，如圖2所示為硬件系統圖。在該控制系統中，中央控制器實現對步進電機轉速和位置的精準控制，需要先給鍵盤設計一個轉速和位置；當采用光電編碼器實現轉速和位置的控制時，可采用開環或閉環的控制信號，而這些變量、參數等則在液晶顯示屏中展現出來，該系統的硬件結構簡單，且中央控制器中有豐富的I/O和中斷資源，故而可在今后對系統進行擴展升級。

本系統設計的步進電機為55BF03型三相反應式步進電機，接受電脈沖信號，將其轉換成角位移或直線位移，其實現過程為：中央控制器TMS320F2812先產生PWM脈沖信號，然后對這些脈沖信號進行合理的分配處理和功率放大處理，然后傳送給步進電機，這樣就實現對其角位置和直接位移的控制。根據這一過程，該系統的驅動系統由脈沖信號、信號分配、功率放大、步進電機及負載等模塊組成。考慮到噪音、穩定性、角度等因素，本文設計出一個三相六拍信號實現對步進電機的有效控制，采用簡單的單壓驅動方式來實現功率放大。

本系統設計的步進電機控制系統是開環控制系統，在正常負載情況下，電機的轉速、停止的位置由脈沖信號的頻率和脈沖數決定，不受負載大小變化的約束，其原理為：當驅動器接收到一個脈沖信號后，步進電機就按照事先設定的方向轉動一個固定的步距角，這個轉動是緩慢進行的，不是一下子就轉動完成的。而角的位移量則能通過脈沖的數量來控制，實現精準定位控制；另外，脈沖頻率則能控制轉動的速度和加速度，從而實現對設備的調速。在當前形勢下，步進電機已在工業生產得到廣泛應用，它已不再是傳統的直流電機、交流電機，它必須在雙環形脈沖信號、功率驅動電路等控制系統下才能實現運轉。

光電編碼器是一種傳感器，是工業中運用最多的傳感器之一，它由光柵盤和光電檢測裝置組成，它利用光柵衍射原理來實現位移-數字變換，通過光電轉換，將輸出軸上的幾何變量轉換成脈沖數字量。由于光電碼盤和電動機同一個軸，故而電動機在旋轉時會帶動光柵盤也一起保持同一速度的旋轉，在旋轉過程中，系統的檢測設備檢測到脈沖信號，并計算出每秒檢測到的脈沖數量，進而根據公式計算出電機的轉速速度。另外，在具體的光電編碼器選擇上，可根據實際需求選擇，我們可根據其主要功能分成增量式編碼器和絕對值編碼器，前者適用于速度檢測上，后者則適用于位置檢測上。

三、軟件系統設計

該控制系統的軟件主要包括主程序、步進電機驅動程序、液晶顯示屏程序、鍵盤掃描中斷程序、編碼器檢測換算程序等，下面就著重介紹一下步進電機驅動程序和編碼器檢測換算程序的設計。

在編碼器檢測換算程序設計中，其檢測通過正交解碼脈沖單元QEP實現，A、B與正交解碼脈沖單元QEP具有方向檢測功能，能辨明兩個序列的順序，辨別出其中的先導序列，然后再按照方向信號選定的定時器進行方向的輸入，若QEP1輸入的為先導序列，則選擇定時器增計數；若QEP2為先導序列，則選擇定時器減計數。另外，兩列正交解碼脈沖單元的邊沿均被正交解碼脈沖計數，故而產生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍。在本控制系統中，定時器2為計數器，檢測編碼信號，并換算成轉速信號或位置信號。

四、結束語

本文設計出一個基于DSP的步進電機精準控制系統，該系統使用的DSP中央控制器為TMS320F2812，實現了轉速和位置的精準控制。同時，設計出液晶顯示屏，能展示相應的參數，幫助工作人員了解電機運行情況。在該步進電機控制系統中，其使用的硬件設備少，且硬件結構簡單，軟件程序設計難度也不大，系統功能穩定、可靠，且DSP的中斷處理效率高，充分運用其中強大的事件管理模塊；又有設計精良的液晶顯示屏，能將電機控制程序的運作參數都一一展現出來，使得操作者迅速了解步進電機的運轉狀況，并根據實際需要進行相應的操作，促進工業生產的順利進行，該系統能應用到數控機床中，且操作界面為windows系統界面，比DOS界面更為簡單，便于工人的操作。

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[作者簡介]喬明明（1981.12-），女，廣東創能科技工程有限公司；謝金聲（1981.10-），男，廣東創能科技工程有限公司。