基于DSP的混合式步進電動機伺服系統的硬件設計

王棟　張蘇新

摘 要：步進電動機已有70年的發展歷史，在開環高分辨率的定位控制占有主導地位，其最大優勢是無累積誤差，因此用在速度、位置等控制領域變得簡單和經濟。由于混合式步進電動機集成了反應式和永磁式的優點，應用極為廣泛，文章主要針對混合式步進電機伺服系統進行硬件設計。首先對步進電動機在國外和我國的歷史發展現狀和趨勢進行了分析，接著闡述了兩相混合式步進電動機的基本結構及其工作原理，并在此基礎上，對混合式步進電動機伺服系統進行了硬件設計，主控器選用TI公司的TMS320LF2407A型號DSP，配以由L298和L297組成的雙極性恒流斬波驅動電路，電源模塊選用TPSS7333QD芯片，選用ROD426脈沖編碼器測量電機轉速，還包括電流采用電路、LCD顯示和DSP仿真器等，最終完成了該控制系統的硬件設計。

關鍵詞：混合式步進電動機；TMS320LF2407A；硬件設計

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0011-02

1 背景概述

步進電機是機電一體化系統中的執行元件，廣泛應用于工業自動控制系統中，步進電動機的雛形源于1830～1860年間，其原理是基于電磁鐵的作用，其后主要應用于氬弧等的電極輸送機構控制中，而最早發明步進電動機的是英國人。1960年，隨著永磁材料的發展，各種實用性步進電機相繼出現，隨著半導體技術的發展使得步進電動機在眾多領域中得到應用，例如晶體管應用，使得通過數字化對步進電動機進行控制變得更為容易。

隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的應用越來越廣泛，尤其是應用于高定位精度、高響應性和依賴性等靈活控制的機電系統中，其已經可以與直流電動機和交流電動機相提并論，屬于第三類電動機。

步進電機是將電脈沖信號轉化為角位移信號，可以簡單定義為每次輸入一個電脈沖，就旋轉一個步距角，不輸入則不旋轉。從廣義上講，步進電機可以看作是無刷直流電機，同樣也可看作一定頻率范圍內的同步電機。我國步進的起步階段始于20世紀50年代后期，當時主要是一些高等院校和科研機構研究開發一些裝置，以反應式步進電機為主。70年代后期，隨著微型計算機和數字控制技術的發展，步進電動機驅動器和步進電機的生產有了長足的進步。到80年代中期，通過大量的實驗室研究，使得步進電動機的精確度得到提高，因此各種混合式步進電機及其驅動器得到廣泛應用?，F在正在沿著小型化、改圓形電機為方形電機、對電動機進行綜合設計和向五相和三相電動機方向發展。

步進電動機的分類有很多種，按照轉矩產生的工作方式可以分為反應式、永磁式和混合式；按照輸出扭矩可以分為快速步進和功率步進電動機；按照勵磁組數可以分為兩相、三相和四相等；按照電流級數可以分為單極性和雙極性；按運動方式，可以分為旋轉、直線和平面。

本文選用的是混合式步進電動機，運用TI公司的TMS320

LF2407芯片作為核心控制器，驅動電路采用L298雙H橋驅動器和L293步進電動機恒流斬波驅動器，電源模塊采用TPS7333QD芯片，采用JTAG和XDS510EPP仿真器接口進行程序下載和在線監視。最終完成了硬件電路的設計。

2 混合式步進電動機的結構及工作原理

2.1 混合式步進電動機的結構

混合式步進電動機又稱為永磁感應式步進電動機，是在反應式和永磁式的基礎上發展起來的，它結合了兩者的優點，其輸出轉矩大，動態性能好，細密的極齒可以減小步距角，效率高，功耗小。市場上應用最多的是兩相混合式步進電動機，市場占有率達到97%，其步距角為1.8 ？觷，采用細分驅動器后可以細分256倍。其結構主要由定子和轉子組成，定子上有八個繞有線圈的鐵芯磁極，八個線圈串接成A、B兩相繞組，每個定子磁極邊緣有多個小齒，一般多為五或六齒。轉子主要環形磁鋼、兩端鐵芯、軸和軸承組成，兩端鐵芯的外圓上有均勻分布的齒槽，齒槽相差1/2齒距。環形磁鋼沿軸向充磁，兩端轉子鐵芯兩端分別成N、S極，稱為N段轉子和S段轉子。

2.2 工作原理

混合式步進電機的運動是通過氣隙中兩種磁動勢的共同作用，永磁體產生的磁動勢和繞組電流產生的磁動勢。定子上有四個線圈的磁極，相對磁極的線圈串聯，組成兩相繞組，由于同一相繞組兩個線圈繞組的方向相反，通過同一電流時產生的磁場方向也相反，這樣導致電流反向流過繞組所產生的磁場也相反。當繞組不通電時，氣隙中只有永磁體產生的電動勢，其方向為軸向，此時電動機無電磁轉矩，其電動勢磁通會沿磁阻最小的路徑通過，即從N極返回到S極，同時當外力促使軸轉動時，由于轉子磁場的吸引作用，會有一個反向的阻轉矩，稱為自鎖力矩。當繞組通電時，繞組電流產生的電動勢就會與原電動勢相互作用，使得電動機旋轉，通電方式有單拍和雙拍運行方式。

3 混合式步進電動機伺服系統的硬件設計

混合式步進電動機伺服系統的硬件主要由TMS320LF2407A核心控制器、步進驅動器及其步進電機、光電編碼器、電流和轉速反饋電路、LCD顯示、電源模塊和DSP仿真器組成。其控制系統硬件結構如圖1所示，TMS320LF2407A控制器是由美國TI公司生產的16位定點型DSP，專門用于數字電動機的控制，其引腳共有144個，主要由內核CPU、存儲器、片內外設三個功能模塊。CPU包括定標移位器、乘法器、累加器、運算邏輯單元；片內存儲器主要包括2.5 kbit/s的RAM和32 kbit/s的EEPROM。片內外設主要包括事件管理器A和B、數字I/O、10位的A/D模塊、CAN總線、SCI、SPI串行模塊等。DSP的外圍電路設計主要包括：PLL濾波器輸入電路、外部晶振電路、A/D模塊基準電壓產生電路、工作電壓指示電路和各種跳線電路等。

驅動電路采用L298和L297組成的雙極性恒流斬波驅動電路。L298雙H橋驅動器內部由兩組完全相同的全橋電路組成，每個全橋電路由4個MOSFET組成，最大開關頻率可以達到40 kHz，能夠驅動電感性負載，可承受的最大電壓、電流為46 V和2.5 A。L297步進電動機恒流斬波驅動器是由ST公司生產的，主要應用于雙極性兩相步進電動機，其內部結構主要包括用于脈沖分配的譯碼器、用于檢測電流采樣值和參考電壓值的斬波器、用于綜合譯碼器與斬波器的輸出邏輯電路組成。

本系統存在數字電路和模擬電路，為了保持較好的隔離，同時保證A/D轉換精度及其抗干擾能力，本文選用芯片TPSS7333QD作為DSP和外擴RAM的電源，該芯片能夠提供穩定的3.3 V和5 V電壓。由于在電路中存在+5 V和VCC兩種不同的數字電源，需要將TTL電平轉化為CMOS電平，本文選用飛利浦半導體公司的電平轉換芯片74LVC4245A，保證了電平之間的邏輯一致。

接口電路主要實現程序下載和通信功能。本文選用XDS5

10EPP仿真器通過引線與JTAG接口的8個引腳連接，用于DSP的編程下載及其實時在線監測；選用MAX232A多通道RS-232收發器中來實現DSP與上位計算機的串行通信，將DSP的SCIRXD和CSITXD連接到MAX232A的兩個引腳，另外一端連接上位機。

電動機的相電流通過反饋電路轉化為電壓信號，輸入到DSP的ADC模塊的第0和第1通道，采樣電阻選用0.5 Ω/2 W，中間連接TL084運算放大器。轉速檢測選用海登海因公司的ROD426脈沖編碼器，其兩路方波信號進入CHAN11、CHAN12，送到DSP的捕捉模塊，計算出轉速。

4 結 語

本文首先簡要概括了步進電動機的歷史背景和發展趨勢，相比其他發達國家，我國步進電機發展較晚?，F在混合式步進電動機應用最為廣泛，因此控制好該電機對于位置和速度控制具有重要的意義。本文在混合步進式電動機結構和基本原理的基礎上對其控制系統進行了詳細的硬件設計。選用TI公司的TMS320LF2407A型號DSP為核心控制單元，驅動電路選用由 L298和L297組成的雙極性恒流斬波電路，同時還對電源模塊電路，轉速和電流反饋電路LCD顯示電路和DSP仿真器電路進行了設計，最終完成了該控制系統的硬件設計。

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