步進電機控制系統的設計及應用

王彬

摘要：基于DSP的步進電機控制系統為閉環控制，采用光電編碼器反饋檢測信號和專用大功率驅動芯片THB6064H，不僅簡化了系統的外圍硬件結構，而且提高了系統的可靠性和抗干擾能力。因此，本文就基于DSP的步進電機控制系統進行探討，重點介紹了其設計流程，并根據設計與應用中的實際問題進行了分析和提出具體措施，為DSP步進電機控制系統的進一步開發和應用提供了參考。

關鍵詞：步進電機;閉環;DSP

前言

步進電機快速啟動和步進精確，用于數控刀具的高速定位系統中，由于定位和速度控制要求高，主芯片為單芯片，在控制系統在系統穩定性和處理速度方面限制了系統的實時性和速度，采用東芝THB664H專用驅動芯片與DSP主控制芯片。

一、步進電機控制系統結構

1.DSP介紹

DSP是一種數字信號處理器，是一種微處理器，旨在實現各種數字信號處理算法。TI公司的TMS320F2812是本文選定的主控制芯片。此芯片結合了豐富的外圍模塊。芯片內是一個快速RAM，為增強的哈佛線結構，可以通過單獨的總線并行使用多個內存。

2.系統的整體方案設計

DSP根據計算出的差異數據，驅動步進電機操作，向其發送位置脈沖和方向脈沖信號。通過電機位置的實時顯示，進行整個系統的閉環控制，實現數字控制裝置在刀具的快速、準確的監控和定位。在本文中，DSP控制系統通過控制兩個56BYG250C兩相步進電機來控制工具向X和Y方向的位移。

二、硬件與電路的設計

1.串口通信電路設計

串口通信模塊的SCI接口使用兩條導線的異步通信接口。系統DSP控制單元應與上位機通信進行數據傳輸，上位機的高低電平為±12V，DSP在0～3.3V之間，因此該電平轉換是強制性的。該系統使用通用的MAX232電平轉換芯片，在分壓器進一步產生3.3V電壓后，其輸出電平直接連接到DSP引腳。

2.功率驅動電路設計

THB664H專用于驅動芯片，通過簡單的外圍電路可實現強大的多部分、高流量電路。內置過熱保護和電源檢測，帶4位8檔子區域控制（1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64）。

HC-PL2530高速光電耦合器分離信號，不僅補充了控制信號電平的轉換，實現了器件之間的高效絕緣，而且修改了控制信號，提高了系統的整體控制精度。在裝配電路設計中，光電耦合隔離模塊電源應分開，且設置獨立電源。

3.查明風險和控制措施的實施

及時準確地識別系統容易出現問題的點，采取有效的控制措施，風險就可以避免。首先，結合具體情況，確定系統中的風險點。第二，為了制定針對已查明的風險點的措施，進行檢查與排除。第三，在使用中，監控控制措施，確保每個風險點處于受控狀態。四是在日常工作中對風險點實施動態監測，及時發現新的風險點，制定控制措施，及時消除問題，提高效率。

三、軟件設計

1.步進電機的位置檢測

步進電機是一種開環控制元件，可將脈沖信號轉換為角或線位移。在不過載的情況下，步進電機驅動器接收脈沖信號，并在所需方向的固定角度控制步進電機。DSP2812事件管理模塊的定時器和比較單元可用于生成兩個電機所需的定位信號脈沖。

啟用DSP事件管理器EV捕獲單元的QEP模塊后，由光電編碼器產生的正交脈沖序列應作為事件管理器中計數寄存器的時鐘源，且其應為相差四分之一。事件管理器的計數器寄存器以電量脈沖中每個躍點的脈沖電荷上升的順序增加和減少目標的輸入，該脈沖決定了步進電機的轉向和電機旋轉的角度。電機相對于初始位置的角度如下所示：

n為計數寄存器的當前值，n₁為計數寄存器的初始值，L為光電編碼器線數。

2.控制系統主程序系統的設計

當系統開始工作時，首先進行初始化設置，然后與初始位置和預定位置之間的差異進行比較，根據位置差異估計步進電機的下一個時刻，并通過更改I/O端口電平來控制電機控制。電機脈沖n在操作過程中的計算公式為：

式中，△為初始位置與預定的差值，r為步進電機的步距角。

四、存在的一些問題

1.控制系統硬件故障

利用各種機械硬件和軟件，可以有效保證控制系統的順利運行。在控制系統的實際操作中，如果設備有缺陷、出現問題，則容易顯示出異常。這些設備在給定的應用過程中，最常見的出現故障的軟硬件組件就是采樣率濾波和DSP故障，這些組件容易引起運行故障，使控制系統功能出現輕微的誤動和拒動效果，進而影響其他設置的運行效果。

2.A/D采樣中的濾波

系統對電流調整的精度決定了步進電機的運行功率，電源閉環控制應在A/D采樣中進行，但在實踐中缺乏控制系統是不可避免的，因此在電源的A/D采樣回路中應采用相應的過濾措施來減少干擾。例如，在使用二階低通濾波的當前硬件部分中，還必須使用滾動平均濾波方法和其他類似的過濾措施來設計軟件，以進一步提高控制系統的性能。

3.運算中溢出問題的解決以及計算精度的提高

方案的計算應考慮到運算溢出。角度位移值和7FFFH應相與，以避免溢出。根據計算精度，程序使用32位乘法和加法。使用DSP2812硬件16x16乘法器，需要兩個16位才能記錄乘法結果，除了乘法結果外，還需要32位，計算后從32位計算結果中選擇所需的16位。

4.日常技術維護措施

（1）各硬件部件的日常技術維護。保持電路通暢以及系統電壓等正常，保持液壓系統運行，保持各系統接合、工件正常。

（2）操作人員應進行良好的監測。系統運行后，操作員員應根據計算機的日常參數分析變化。分析后發現異常的，應當立即對異常問題進行連續監測，并根據變更進行必要的技術處理。同時，活動日志將詳細存儲整個執行過程中的所有數據。不斷復盤與改進

結束語

根據分段電機運行原理和主要特性分析，設計了配備TMS320F2812芯片的步進硬件電路和操作軟件，實現控制和力集成。在步進電機控制系統設計及應用過程中，系統保護各種設備正常運行，產生影響。而問題要想得到有效的控制，就要通過確保步進電機控制系統設計及應用的整體效果，加強設計與檢查，利用系統優勢和功能減少問題，有效減少步進電機控制系統設計及應用中的問題。步進電機控制系統是一個非常高效的技術裝置，更要求設計與操作人員強調專業精神和長期經驗。

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