基于DSP兩相混合式步進電機控制驅動器研究與設計

楊元凱

（佛山職業技術學院 廣東佛山528137）

基于DSP兩相混合式步進電機控制驅動器研究與設計

楊元凱

（佛山職業技術學院 廣東佛山528137）

基于提高兩相混合式步進電機的穩態性能和動態特性的目的，本文結合轉矩矢量控制策略，提出基于DSP的步進電機驅動器設計方案。通過采用最大電流/轉矩的轉子磁場定向失量控制，完成對兩相混合式步進電機的控制。硬件采用TMS320FS2812為電機控制器，設計了電流采樣電路、電機功率驅動電路及相關的輔助電路。在逆變電路中采用SVPWM調制策略，提高電機控制性能。并對驅動器的輸出進行測試實驗，得出對電機的控制越是細分，電機的控制性能越好。

DSP；失量控制；步進電機；驅動器

在步進電機中混合式和磁阻式應用比較廣泛，其中混合式步進電機在轉子永磁體及變磁阻原理共同作用下運轉，整體性能優于混合式步進電機，但也由于電機自身結構的原因使得在實際應用中存在一些問題，如當步進電機達到額定轉速的時候，電機的輸出轉矩會隨轉速增高而下降，限制了電機的應用范圍[1-4]，另外，混合式步進電機的結構設計沒有采取與永磁電機相類似的削弱諧波的措施，因此會造成電機氣隙磁場產生較大的空間諧波，再加上電機電磁系統的不穩定及不對稱特特點，會使得電機在運行中產生震蕩和噪聲。當電機高速運行時，所需的電流將逐漸增大，一旦驅動器不能滿足所需電流時，將不再受指令的控制，同時步進電機結構及運行的特殊性使得不能直接使用AC或DC電源驅動[5-8]。電機運行的性能指標完全取決于配套的驅動器，因此研究先進的電機控制策略，設計高性能的驅動器對于提高混合式步進電機的性能具有重要意義。

1 兩相混合式步進電機的失量控制原理

1.1 混合式步進電機矢量控制原理

矢量控制是一種利用磁場定向控制改善交流電動機調速方法的控制理論[9-11]。該方法的控制思想是:通過變換電動機數學模型坐標，對比直流電動機模型的控制方法，將交流電動機磁通量分解為磁場分量與轉矩分量，使二者完全解耦，進而根據分解后的轉矩分量，控制交流電機的動態轉矩?；旌鲜讲竭M電機的驅動轉矩通常由電磁轉矩與磁阻轉矩復合而成，故該類型電動機周圍磁場環境復雜，為了更好的分析混合式步進電機的矢量控制方法，需要完成靜止（α-β）坐標系與旋轉（d-q）坐標系的定義及對應的坐標變換方法。

混合式步進電機的靜止坐標系α-β坐標系可選擇定子A、B兩相繞組上，這是由于混合式步進電機定子兩端具有的固定錯齒結構，由A、B兩相繞組旋轉形成的磁場存在90度的電角度差，滿足靜止坐標系的選擇條件[12-13]。

旋轉坐標系d-q坐標系的選取決定了電機轉子的磁場方向?；旌鲜讲竭M電機的旋轉坐標系選取有別于普通凸極同步電動機，其中普通凸極同步電動機磁場的變化周期為兩個磁距，通常情況下，選擇轉子磁極軸線作為旋轉坐標系的d軸，選擇相鄰磁極中心線作為q軸，即q軸沿旋轉方向超前d軸90電角度，如圖1（a）所示。混合式步進電機選擇轉子齒中心線作為旋轉坐標系的d軸，選擇沿旋轉方向超前d軸90電角度的位置作為q軸。如圖1（b）所示。

圖1 兩種電機旋轉磁極坐標系（d-q）選擇方法

1.2 失量控制的實現

結合混合式步進電機的運行及失量控制的原理，設計混合式步進電機的失量控制的結構圖如圖2所示，在d-q坐標系下，根據最大轉矩/電流關系及設定的轉矩就可以得出電流的給定值idref、iqref。步進電機的線圈電流ia、ib經過失量反變換環節可以轉換成d-q坐標系下的電流實際值id、iq，將id、iq同idref、iqref比較后作為電流調節器的輸入，將其兩者的差值通過電流調節器運算得d-q坐標下的控制量ids、iqs，再經過電流失量變換得到a-b坐標系下的電流ias、ibs?？刂屏縤as、ibs通過兩相電壓失量PWM控制環節得到兩路的PWM波，將這兩路的PWM波形輸出給主電路實現步進電機的調節控制。

圖2 兩種電機旋轉磁極坐標系（d-q）選擇方法

2 基于DSP的步進電機驅動器設計

2.1 兩相電壓SVPWM輸出控制

混合式步進電機驅動器是將電壓指令的信號轉變為PWM信號，用以控制驅動器主電路的開關管的動作，使電機線圈中的電流指令跟隨給定電流的變化[14-16]。應用比較廣泛的脈寬調制方法為SPWM，該控制方式主要以逆變器輸出的電壓盡量接近正弦波，盡量減小諧波分量，擴大基波分量。由于混合式步進電機需要將輸入的電流轉換為空間圓形的磁場，用以形成恒定的電磁轉矩，因此在設計將逆變器和混合式電機視為一體，按照旋轉磁場來控制PWM電壓，該方式為SVPWM。使用SVPWM控制方式，可以通過驅動信號的邏輯組合實現兩相繞組電壓SVPWM工作狀態的控制，最終可以決定步進電機繞組的通電方式。

此次兩相電壓SVPWM逆變器的工作狀態，用“1”代表導通，用“0”代表驅動信號斷開。工作狀態表如表1所示。

表1 逆變器工作狀態表

建立了4個基本電壓空間矢量，如圖3所示，互差90度電角度，模為2U，工作原理為利用兩個相鄰的基本電壓失量的組合來逼近任意給定的電壓空間矢量。

圖3 基本電壓空間矢量分布

2.2 基于DSP驅動器電路設計

驅動器與電機的性能緊密相關，從硬件結構上來看，硬件部分主要由電機控制器、功率驅動電路及輔助電路等組成，本次設計中控制芯片采用32位的定點數字信號處理器TMS320F2812，以下以F2812代替該芯片可產生電機控制所需的PWM信號，擴展功能強，非常適合電機控制領域。

1）電源電路設計

系統采用雙電源供電，控制器核心采用1.8 V電源，片內AD、IO模塊采用3.3 V上設計中芯片采用TPS767D301PWP，該芯片能提供嚴格的上電時序，滿足F2812對上電時序的要求。采用數字模擬地分離式的設計，通過電壓轉換將5 V的供電電壓轉化為3.8 V和1.8 V，同時設計了過電流的保險，保證核心電路的供電安全。設計電路如圖6所示。

圖4 電源電路圖

2）電流采樣電路設計

電流采樣方法中應用一般采用電阻法、電流互感器法及霍爾電流傳感器法。電阻法價格低、設計簡單利用兩端的電壓來計算電流?；ジ衅髟硗儔浩?，利用交流電的電磁感應原理來計算電流，一般用于高壓大電流?；魻杺鞲衅髟頌橥ㄟ^外加±5 V電源，利用霍爾效應和磁場平衡來對交直流電流進行采樣，測量精確，成本較高，適用于與對電流值要求特別精準的行業。綜合考慮，本次設計采用電阻法即可滿足要求。硬件設計圖如圖7所示，通過采用差分放大的方式來提高測量精度，為了防止控制器出現實效時，導致采樣電流值升高，導致8端電壓過高而燒壞DSP芯片，在8端電壓的輸出管腳加入有二極管構成的限幅電路。

3）功率驅動電路設計

功率驅動電路分為驅動電路和電機功率主電路兩部分。驅動電路將DSP產生的PWM信號隔離放大處理，然后送至功率主電路，完成驅動功率主電路開關管的導通，功率驅動電路相當于電機功率主電路的輸入，完成信號的隔離、放大，功率主電路相當于逆變器用于將直流電壓轉換成電機運行的交流電，電路設計如圖6所示。

2.3 程序設計

驅動機設計中，硬件電路是功能實現的基礎，而系統的軟件則是系統運行的靈魂，本次軟件設計采用TI公司的CCS3.3軟件進行編譯。程序的語言采用C語言編寫，針對DSP的一些特殊操作加入一些匯編語言，程序的流程圖如圖7所示。

圖5 電流采樣電路設計

圖6 功率驅動電路圖

圖7 程序設計流程圖

2.4 系統運行分析

將驅動器與步進電機連接好，硬件設置完成，軟件調試正確后，對DSP芯片的IOPB4、IOPB5的輸出信號進行檢測，確定電機的轉向，當輸出信號如圖8所示時，電機正轉。

圖8 正轉輸出信號

當對步進電機進行16細分控制時，從系統功率驅動模塊監測到的步進電機的電機繞組電流如圖9所示；32細分控制時的電機繞組電流如圖10所示。從圖中可以看出，對電機控制越是細分，步進電機繞組電流的波形越接近正弦波，步進電機的控制性能越好。

圖9 16細分控制繞組電流

圖10 32細分控制繞組電流

3 結論

文中對兩相混合式步進電機的控制原理入手，采用DSP芯片為控制核心，設計了控制器的硬件電路，完成了系統軟件設計，系統運行穩定，改善了步進電機失量控制性能。

[1]李美艷.基于89C51單片機的步進電動機控制系統設計[J].電子設計工程，2014（23）:12-13.

[2]鄭國平.基于Simulink仿真的步進電機細分控制分析[J].計算機與數字工程，2014（8）:131-135.

[3]陳建進，管興勇.兩相混合式步進電機細分驅動器研制[J].微型機與應用，2014（4）:8-18.

[4]張萍.基于FPGA的步進電機SPWM細分驅動系統的設計[J].制造業自動化，2014（4）:927-936.

[5]姜穎韜.基于DSP的步進電機驅動程序設計[J].山西電子技術，2013（3）:69-73.

[6]吳國鋮.多細分混合式步進電機驅動器的研究與設計[D].桂林：桂林電子科技大學，2010.

[7]宋路程，鄧智泉，王宇.電樞繞組開路式混合勵磁電機發電系統[J].中國電機工程學報，2014（9）:215-219.

[8]宋波，韋薇，張孝其.兩相混合式步進電機驅動器的設計[J].電子工業專用設備，2014（2）:155-159.

[9]劉鼎邦.兩相混合步進電機細分驅動的研究[D].長沙：長沙理工大學，2012.

[10]劉霜，李興根.新型三相步進電機細分驅動器設計[J].輕工機械，2013（4）:34-37.

[11]李愛竹，徐柳娟.基于EPM240T100和TB6560的步進電機控制系統[J].機電工程，2014（5）:88-90.

[12]巫群洪.具有高精度與高穩定性的多路輸出兩相混合步進電機驅動器的設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2013.

[13]周樂樂.基于FPGA的二相混合式步進電機細分驅動器的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[14]劉源晶，楊向宇，趙世偉.兩相SVPWM技術在位置跟蹤伺服系統中的應用[J].微電機，2014（1）:56-59.

[15]董娜.基于DSP的兩相混合式步進電機控制系統研究[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[16]王海偉.改善混合式步進電機運行性能的功角控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2012.

Research and design of a two phase hybrid stepper motor control driver based on DSP

YANG Yuan-kai
（Foshan Professional&Technical College，Foshan528137，China）

To improve the steady-state performance and dynamic characteristics of the two-phase hybrid stepping motor based on the purpose of this paper，combined with the torque vector control strategy，proposed DSP stepper motor driver design based on.By using the maximum current rotor field orientation torque vector control，to control the two-phase hybrid stepping motor.The hardware adopts TMS320FS2812 the design of the motor controller，current sampling circuit，motor driving circuit and auxiliary circuit related.The SVPWM modulation strategy in the inverter circuit，and improve the performance of motor control.The output of the drive test，the control of motor control is more segmentation，better performance of the motor.

DSP；loss of control；stepper motor；driver

TN713

A

1674-6236（2017）23-0125-05

2016-11-10稿件編號：201611073

楊元凱（1974—），男，土家族，湖南瀘溪人，碩士，講師。研究方向：自動化控制及工業網絡通訊。