基于DSP的步進電機控制系統設計研究

韓英永

（國防科技大學電子對抗學院，安徽 合肥 230037）

1 步進電機控制模塊概述

步進電機依據構造、原理可分為反應式、永磁式、混合式3種，其中混合式步進電機的性能（輸出力矩、頻率范圍、振幅及電感）具有明顯的優勢，因此本文以混合式步進電機為例，對其進行設計研究。

混合式步進電機可實現永磁式的工作特性，是因內部磁路內裝有永磁鐵，以此保證設備的定向工作特性，其工作原理主要是通過電流輸入到設備中，由繞組產生的磁動與永磁鐵產生磁動勢的矢量和來完成相應的動作指令。混合式步進電機的主體參數一般包含定子、轉子、步距角、齒距角、轉矩、頻率、轉速、電流及電壓等。

步進電機在運行過程中一般分為靜態轉矩、動態轉矩以及暫態轉矩3種。靜態轉矩是轉子轉矩與功率角之間的正態分布特性，當電機接入電流后，系統內部在永磁鐵的作用下，磁密將呈正弦波，在理論值的基準下，波形將與轉矩呈正比，但在實際齒槽轉矩的作用下，系統的轉矩將出現一定的誤差，進而產生諧波影響。動態轉矩則是以脈沖頻率為衡量基準，分為轉矩特性與慣量特性兩種。轉矩特性的關聯參數為脈沖頻率的響應時間與動態轉矩，動態轉矩是在失步轉矩與牽入轉矩共同作用下而產生的，當脈沖頻率為0時，失步與牽入所產生轉矩值量則為定值；當脈沖頻率逐漸上升時，系統運行的負載能力則呈現出現下降趨勢；此過程也是大轉矩的獲取過程，在低速條件下，可有效減短實際加速時間。慣性特性則是以電機的初始速度為主，然后在通過慣性條件來維持自身的運行模式，但在負載慣量持續增高的過程中，電機設備的起始頻率將下降。暫態轉矩是指在轉子慣量的條件下，設備空載模式下將產生具備衰減特性的超越角，當動態角最終穩定在某一個角度下，此過程為暫態特性，其角度穩定時間與設備性能的關聯性較大，穩定時間越小則代表電機的性能越好。

2 步進電機驅動原理及實現方式

2.1 驅動原理

步進電機在運轉過程中，以內部驅動系統來實現功能化操作，其主要是通過電流對步距角進行細分，實現原理主要包含電流細分、步距角細分兩種。電流細分是對輸入相位的電流值進行研究，此過程不考慮轉矩的影響方式，當相位通電后，可依據系統內部電流傳輸特性進行分類，但由于步距角的分布形式屬于動態，此種電流細分形式未能對分辨率進行細化，進而影響系統內的運行精度。步距角細分是依據磁場的總體情況，當電機想要實現均勻化控制，則需對系統內部電流的傳輸形式進行正確劃分，確保每一相位所產生的幅值為定性基準，并保證脈沖產生的角位屬于均勻變化過程。當磁場產生矢量和屬于基準值時，可為脈沖切換提供緩沖平臺，令電流可部分作用于繞組中，以實現動態化控制，進一步細分步距角，令其產生階梯波，進而與轉子的轉數進行同步。

2.2 實現方式

步進電機的實現方式包含PWM與SPWM兩種，但由于SPWM在控制過程中計算程序較為復雜、占用空間較大、實現路徑較為繁瑣，所以本文采用PWM調制。PWM調制是以控制電壓的形式來實現電流的同步操控，其硬件實施條件是以逆變開關為主，通過開關量的調節，令脈沖的幅值輸出達到基準值，進而使其可替代波形完成相應的工作指令。例如，在對正弦波進行替代時，由于電流輸出周期內將產生一定數量的脈沖，通過PWM波的替代，可令系統獲得連續輸出值，并減少諧波所帶來的影響。PWM在進行調制時，一般是按照基準值的設定來對脈沖的實際寬度進行優化調整，如對系統電路進行調壓、調頻等。同時，PWM調制被稱作面積同效，即在同等面積的脈沖下，脈沖形狀不同，但在慣性力的影響下，其整體產生的效果是一致的。PWM調制具有易操控性、精準性等優勢，可將其作為步進電機的調制基準。

3 步進電機控制系統軟件設計

3.1 軟件開發環境

本文采用控制芯片為TMS320F系列，軟件開發環境為CCS。數字信號處理的開發環境包含非集成式與集成式兩種。非集成式開發環境工作形式較為獨立，導致數據共享效率存在一定的局限性，在經濟、工藝角度來看，開發效率較低；集成式開發環境則具備較大的工作容量，可對數據信息進行高效率分析，與非集成式開發環境相比，在經濟以及技術層面具有較大的優勢。

CCS可為系統提供一體化平臺，包含程序的建立工具、配置、優化、分析、全過程監督等，以確保工作人員可對程序進行多功能操作。CCS代碼生成模塊包含編譯器，可將系統的編碼譯為源代碼；匯編器則對系統的源文件進行自主識別，確保其可被機器設備進行識別；連接器是一種指向型模塊，可將系統與目標文件進行連接，并依據系統當前的工作情況進行自動調節；歸檔器是對系統內運行的文件進行采集，并可對數據庫中的文件進行刪減、增加、替換等操作；指令轉換程序是對源文件中的程序進行標記，并將其轉換為數字指令；數據庫運行是為設備的接口函數、運行函數、程序函數等提供平臺；交叉列表是對列表文件中的程序進行精準定位，確定符號的最終顯示位置；絕對列表可將輸出文件進行轉變，并對文件進行匯編，確保列表文件中含有絕對地址。

控制芯片在對軟件程序進行控制時，其C語言程序文件應以c類型、ASM類型、b類型、CMD類型為主，以保證系統可實現C語言控制、節約空間、提升速度、重復分配、指向型命令等。CCS運行步驟為文件導入—自動配置—程序識別運行—程序下載，通過文件在系統中周期性運行，可不斷對自身程序進行調整，以滿足系統的工作需求。

3.2 軟件系統設計

3.2.1 主程序設計

在對主程序進行設計時，由于屬于邏輯性控制的一種，程序在運行過程中，各項操作模塊應處于初始化位置，當程序的指令依次下達后，各項操作模塊依據上位操控系統的指令下達來對電機的運行模式進行操控。通過順序性的操控模式，可將各項指令逐層下達，進而確保系統運行的完整性。在對主程序設計時，將中斷的軟模式與硬模式結合，可減少系統運行所受的干擾，并為信號提供實時傳輸的保障。若程序運行失敗，則可通過下一循環的中斷模式進行自動恢復，其程序設計如圖1所示。

3.2.2 子程序設計

子程序設計是以模塊形式為主。首先，通用型接口（GPIO）在設計過程中，主要是對多路徑選擇器、寄存器等進行設計，以決定接口引腳的配置形式，其他設計形式則與單片機相似。其次，PWM程序設計。PWM波的主要是由管理器來決定的，波形的產生形式一般以定時器為主，以寄存器與輸出邏輯為載體，進而對PWM波進行輸出。PWM波程序設計如圖2所示。

圖1 主程序設計圖（喂狗代表一種輸出型定時器）

圖2 PWM生成程序

PWM波在輸出過后，將立刻進入下一循環周期，系統的時鐘初始化應為80 MHz，定時器的基準因子為1，程序的計數周期為1/38 μs，以保證定時器中斷時間內波形的低電平位處于有效狀態。再次，正余弦函數基準制定。當系統的各項值量范圍確認后，還應對給電流的細分形式進行確認，以滿足步進電機的控制需求。為保證正余弦函數的計算時間可與系統響應時間相一致，應將正余弦函數計算表存儲在芯片的系統中。通過此種方法，可保證確定電流時，只需要通過地址的輸入，便可得出電流細分的程度。因此，在利用數字信號控制進行系統契合時，字長選取長度為8位（字長選取長度越長，則代表實際測量值精度越高），定點數標值為Q7。由于本文采用的最大細分程序為128位，即正弦波被分成128個節點（1/4正弦波所產生的），因此正弦函數表的512節點程序設計如下：

最后，串行通信接口（SCI）是實現模塊之間的信息傳遞，以保證系統運行的流暢性。本文采用的設計模式為全雙工形式，在SCI的緩沖型工作模式下，可確保系統的信息接收以及發送功能處于實時狀態。SCI設計流程如圖4所示。串口通信接口的波特率為9 500 b/s，通信數據格式為1位、數據位為8。

圖3 SCI流程圖

4 步進電機控制系統硬件設計

4.1 整體架構

步進電機控制系統硬件的整體架構如圖4所示，可分為主操控系統、轉換系統、邏輯電路模塊、保護電路模塊、驅動電路模塊及檢測電路模塊[1]。通過上位機與控制芯片進行信號的反饋式傳輸，并由邏輯電路模塊對信號進行綜合，驅動電路模塊提供信號源。轉換系統對芯片的細分值信號進行轉換，并與保護電路模塊的電流進行綜合，以實現防護作用。檢測電路模塊的相位電流檢測模式，可將電路進行放大，并與DSP系統的加載電流、電壓進行比對，若電流、電壓傳輸范圍小于DSP系統的基準值，則設備可進行正常工作，反之則自動停止工作[2]。

圖4 步進電機控制系統硬件的整體架構

4.2 外圍電路

外圍電路一般包含電源電路、時鐘電路、復位電路及串口電路等。DSP系統的供電形式較為復雜，依據其工作模式一般以多電源供電為主。由于接口的供電電壓為3.3 V、系統自身的內電壓為1.8 V、基準供電壓為5 V，因此需通過電壓轉換裝置實現電壓值的轉換[3]。時鐘電路則是一種信號定位系統，一般由晶體振蕩器和時鐘源組成。本文時鐘電路則是以晶體振蕩器為主，外部振頻為35 MHz，最高可拓展為10倍。復位電路則是采用傳統的手動復位模式，結合RC電路來實現復位操控。串口電路的位電平平衡芯片采用的MAX3131型號，具有低功耗、高性能、高精度等優勢，可有效實現系統的位電平轉換。

4.3 邏輯電路

邏輯電路是對系統產生的PWM波與相位信號進行綜合，由于邏輯順位形式較為簡便，本文采取的邏輯器件則以雙列直插式邏輯門進行設計，以簡化設計步驟。邏輯門的內部工作形式如圖5所示，此類邏輯中的A引腳分別對應PWM波，（即A1對應PWM1，A2對應PWM2，以此類推），B引腳對應相序信號，通過兩路信號的同步進給，可形成斬波信號，以對后期程序的開關量進行控制。當PWM信號、相序信號結合時，可依據DSP系統對電機設備的開合形式進行控制。

4.4 轉換電路

轉換電路是對細分值進行信號轉變，由于上位系統傳遞下來的是8位值，因此需依據信號的傳輸形式采用雙電路轉換模式，以確保系統中的正余弦函數存儲量可進行正常讀取。由于轉換電路的工作電壓為15 V，與其接觸的關聯電容應設定為平等值，以保證電路系統正端與負端可實現等壓條件下的同步運行[4]。

圖5 邏輯圖示

4.5 驅動電路

系統的驅動電路是由兩種芯片進行聯合驅動（L6506、L298），其連接形式如圖6所示。其中L6506芯片起到模擬量的連接作用，確保DSP系統內函數表轉換量的接收形式，內部的5～8引腳則是對主控制芯片的斬波信號進行接收；4號位引腳與通用型接口相連接，令其接收PWM波周期變化內的電壓位值，以實現持續性供電，進而減少系統運行的損耗，減低內部能量變動所形成的諧波干擾；芯片的下位引腳（10、15）則是通過電路放大與芯片L298相連接，以接收芯片的反饋信息。在反饋信息的作用下，當反饋電壓值與基準電壓值相符時，芯片將進行自動復位。此時功率開關也將處于斷開狀態，周期運轉內的電流呈衰減趨勢，然后進入下一循環周期，以實現繞組細分。

4.6 保護電路

保護電路的設計原則是以系統內部低電壓為基準，通過芯片的反饋形式來進行自動化切斷，以保證系統的安全運行[5]。文中的芯片聯合工作形式所提到的反饋信息等壓模式，則為整體電路提供防護作用，其內部電阻反饋形式一般以電流值為主。因此，保護電路的設計可由電壓防護方面入手，通過電壓值的設定來對電路進行間接保護。傳統的保護電路一般以放大電路為主，在基準值的設定下，依據反饋信息來對系統的運行模式進行控制。此種保護方式是按照電路的基本運行模式為主，但在實際操作過程中，將增加系統運行的負擔。因此，保護電路的設計則是以L6506芯片為主，通過內部信息的傳導來實現系統的判定，以對高電流的輸入量進行有效限制。

圖6 兩種芯片的連接形式

4.7 自檢電路

自檢電路采用的是光電編碼器，為信號的傳輸模式提供參考值，以減少系統的電磁干擾。光電編碼器通過接口對上位系統的輸入波形進行隔離，使模擬信號可在系統中正常運行，進而實現DSP系統的對接傳輸[6]。數字模擬信號系統中的定時器可對脈沖的數量進行獲取，為定時器提供數值基準，進而為系統周期性運轉提供時間值，以決定步進電機的步距角、轉速等。

5 結 論

文章對步進電機的控制系統進行了概述，通過驅動原理以及實現方式對步進電機的模式進行了研究，并對步進電機控制系統進行了硬件與軟件方面的設計。在軟件設計方面，主要通過主程序與子程序的設計來提升步進電機系統運行的流暢性以及數據信息傳輸的精準性；在硬件設計方面，則是通過各項電路模塊、通信接口、硬件驅動等來對電流及信號的傳輸模式進行規劃，以確保數字信號可與操控指令形成精準對接，進而提升系統運行的質量。