基于DSP的直線步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文,王笑琴

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計）專用稿紙畢業(yè)設(shè)計/論文課題名稱 基于DSP的直線步進電機控制系統(tǒng) 的設(shè)計 院 系 機電與自動化學院 專業(yè)班級 自動化1201班 學生姓名 王笑琴 武昌首義學院基于DSP的直線步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要 本文在直線步進電機的基本結(jié)構(gòu)、原理與特性的基礎(chǔ)上，著重分析兩相混合式直線步進電機的結(jié)構(gòu)、磁鏈及工作原理。根據(jù)兩相混合式直線步進電機繞組的通電特點和脈沖步進控制方法，采用以DSP為核心的控制單元，以具有細分功能的兩相步進電機驅(qū)動專用芯片A3977SED作為功率驅(qū)動器件，對兩相混合式直線步迸電機提出了總體控制方案，并分別就控制系統(tǒng)技術(shù)方案、硬件電路、控制軟件設(shè)計等技術(shù)內(nèi)容進行了詳

2、細的分析和研究。本設(shè)計以典型電機微控制器TMS320F28xx芯片為控制核心，采用反饋和開環(huán)控制相結(jié)合方式。闡述了如何利用TMS320F28xx實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向、速度控制，具有較好的運行效果，可獲得近似于伺服電機的性能，具有較高的性價比。關(guān)鍵詞：直線步進電機；DSP；控制系統(tǒng)；TMS320F28xx Modern Design of linear stepper motor control system based on DSPAbstractOn the basis of the basic structure, principle and characteristic of linear st

3、epping motor, the structure, flux and working principle of the two phase hybrid linear stepping motor are analyzed.According to the two phase hybrid linear step into the motor winding energized characteristics and pulse step control method, with DSP as the core control unit, to two-phase step with a

4、 functional subdivision of the stepping motor drive IC A3977SED as a power drive part, the two-phase hybrid linear stepping motor proposed overall control scheme and control system technology, hardware circuit and control software design were analyzed and studied in detail by using.This design takes

5、 the typical motor micro controller TMS320F28xx chip as the control core, uses the feedback and the open loop control combination way. This paper describes how to use TMS320F28xx to achieve the motor steering and speed control, and has a good running effect. It can obtain the performance of the serv

6、o motor and has a high performance price ratio.Key words: linear stepper motor; DSP; control system; TMS320F28xx- 19 -目 錄1 緒論.11.1 直線步進電機的特點及控制方式.11.2.1 直線步進電機的特點.11.2.2 直線步進電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn).12 兩相混合式直線步進電機原理.32.1 直線步進電機簡介.32.2 直線步進電機的結(jié)構(gòu)及其工作原理.32.3 直線步進電機驅(qū)動電路原理分析.53 直線步進電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計.63.1 控制系統(tǒng)硬件組成.63.2 控制器.63.

7、3 TMS320F28xx概述.73.4 驅(qū)動器.83.5 總體設(shè)計.113.6 硬件組成.114 直線步進電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.134.1 PWM脈沖序列的產(chǎn)生.134.2 步進電機的控制.134.3 程序設(shè)計.145 總結(jié).20主要參考文獻.21致 謝.22緒 論1 直線步進電機的特點及控制方式1.1 直線步進電機的特點 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制器件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻

8、率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 直線步進電機，是一種將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成微步直線運動驅(qū)動裝置。當這種電機外加一個電脈沖時，就會直線地運動一步并準確地鎖定在所希望的位置上。因為其運動形式是直線步進的，因而稱為直線步進電動機。直線步進電動機可廣泛地應(yīng)用于各種精密設(shè)備，如自動繪圖儀、計算機設(shè)備、智能儀器儀表、機器人、電子設(shè)備及各種自動化檢測、控制等領(lǐng)域當中。1.2 直線步進電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 現(xiàn)階段直線步進電機的控制方式主要有：基于MCU的控制系統(tǒng)、基于DSP的控制系統(tǒng)、基于ASIC的控制系統(tǒng)。1.2.1 基于MCU的控制系統(tǒng) 現(xiàn)在普遍采用MCU作為電動機的控制器。MCU作

9、為電動機的控制器使電路更簡單，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制。MCU的控制方式是由軟件完成，靈活性、適應(yīng)性比較好。數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常出現(xiàn)的零點漂移問題，控制精度高。還可以具備人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作等特點。MCU介于IPC和PLC之間，它有較強的控制功能、低廉的成本，因此性價比較高。1.2.2 基于DSP的控制系統(tǒng)由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP(數(shù)字信號處理器）技術(shù)在電機控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國的TI和AD公司都已經(jīng)研制以DSP為內(nèi)核的集成電動機控制芯片，這些芯片不僅具有高速信號處理能力和數(shù)字控制功能，而且還有為電動機控制應(yīng)用所必需的外圍功能。在電動機控制系統(tǒng)中采用電動機專用的D

10、SP，不但可以實現(xiàn)如矢量控制、直接轉(zhuǎn)距控制這樣的控制算法，而且也有條件完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜算法，如自適應(yīng)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。本設(shè)計采用TMS320F28xx系列DSP芯片具有高速的數(shù)字信號能力和專為電機控制而設(shè)計的結(jié)構(gòu)。使得高實時性要求和復(fù)雜算法在電機控制中實現(xiàn)成為可能。2 兩相混合式直線步進電機原理2.1 直線步進電機簡介 近年來，隨著科技方面取得的長足發(fā)展，為直線電機的應(yīng)用奠定了扎實的基礎(chǔ)。各種新型控制元器件的出現(xiàn)，以及材料技術(shù)的飛速發(fā)展為直線電機的應(yīng)用更是錦上添花。直線步進電機的原理和旋轉(zhuǎn)步進電機一樣，與直流電機和異步電機不同，加給直線步進電機的電流是脈沖電。對直線

11、步進電機的控制，其最核心的地方就是脈沖頻率和占空比的控制，我們可以由數(shù)字控制器來得到占空比合適的電脈沖。直線步進電機的角位移以輸入脈沖數(shù)嚴格的成正比，因此，當它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。由直線步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，即非常簡單、廉價，又非?？煽?。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。直線步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。它的速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載2.2 直線步進電機的結(jié)構(gòu)及其工作原理直線步進電機大致可歸納為兩大類型：一類是反應(yīng)式直線步進電機，另一類是混合式直線步進

12、電機。本文選取了兩相混合式直線步進電機進行討論研究，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，基本結(jié)構(gòu)由定子、動子及線圈組成。定子由開有等距齒槽的疊片鐵心組成，動子由永久磁鐵和電磁鐵EMA與EMB組成。電磁鐵EMA上安放繞組A，具有1和2兩個磁極，電磁鐵EMB上安放繞組B，具有3和4兩個磁極，4個磁極上有兒個齒，且定子和動子齒距相等。磁場是由永久磁鐵和繞組電流共同產(chǎn)生的。當電磁鐵沒有電流時，永久磁鐵向所有的磁極提供了/2的常值磁通(是永久磁鐵提供的總磁通)，此時，動子上沒有水平推力，動子可以穩(wěn)定在任何位置上。隨著各相控制繞組中的電流發(fā)生變化，使得各極下的磁場位置發(fā)生變化，因而帶動步進電機動子產(chǎn)生直線步進運動。圖2

13、-1 兩相混合式直線步進電機結(jié)構(gòu)示意圖如果讓線圈A通入余弦電流，同時讓線圈B通入正弦電流(如圖2-2中虛線所示)，則在。0-/2范圍內(nèi)，線圈B中的電流從零逐漸增大到最大值，使得極4下的磁通由/2逐漸增大到最大值，而極3下的磁通逐漸由/2下降到零。同時極1的磁通隨著下降而下降，配合線圈B使動子平滑均勻地移動。由于磁通具有通過磁阻最小路徑的原理，所以電流由大到小交變一次，動子就移動1個齒距。 當A相電流由最大值下降到零，B相電流由零上升到最大值時，動子移動了1/4齒距。如果在A相電流由最大值下降的同時，B相電流由零開始上升，當它們的值達到相等時，則動子對應(yīng)地正好移過1/8齒距。如果將上述A相和B相

14、的正、余弦電流每個周期都用40個等寬不等幅的脈沖代替(見圖2-3)，則每個脈沖的寬度為(電角度)，對于每個脈沖，步進電機就會相對于原位置移動1/40齒距，此時步距為1/40齒距，可見電機的步距分辨率比原來提高了10倍。這種控制步進電機工作的方法就是細分技術(shù)，利用細分技術(shù)可以實現(xiàn)更高的分辨率和精確的定位。圖2-2 兩相同時通電時的電流波形圖2-3 用脈沖群逼近正余弦曲線2.3 直線步進電機驅(qū)動電路原理分析 從混合式直線步進電動機的工作原理得知，混合式直線步進電動機需要一個雙極性控制電源，下面簡單介紹一下，一種比較典型的晶體管橋式雙極性驅(qū)動電路，如圖2-4所示。 根據(jù)所需要的電流極性，成對的開關(guān)三

15、級管對相繞組的正向勵磁，就要接通三極管V1和V4，以便電流路徑由電源通過三極管Vl到相繞組及限流電阻R,然后經(jīng)過三極管V4回到電源。在相反的情況下，接通三極管V2和V3，以便電流朝相繞組相反的方向流動。在橋中的四個開關(guān)三極管需要獨立的基極驅(qū)動器來放大這兩種(正的和負的)相控制信號，這信號要通過光電隔離管來傳遞。圖2-4中四個二極管的橋，它們相反地并聯(lián)在開關(guān)三極管上，以提供續(xù)流回路，圖2-4中虛線說明在打開三極管V1和V4后，瞬時續(xù)流經(jīng)過二極管V6和V7的路徑情況。這續(xù)流路徑包括直流電源在內(nèi)，因此某些儲存在相繞組電感中的能量，在打開開關(guān)時，被返回到電源。由這引起改善整個系統(tǒng)效率的效果表明雙極性橋

16、式驅(qū)動電路勝過單極性驅(qū)動。在雙極性驅(qū)動電路中，續(xù)流比單極性驅(qū)動電路衰減更迅速，因為直流電源反對它們，因此，在雙極性電路中不需要續(xù)流電阻。圖2-4 晶體管橋式雙極性驅(qū)動電路3 直線步進電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1控制系統(tǒng)硬件組成 本控制系統(tǒng)由控制器，直線步進電機驅(qū)動器，直線步進電機、負載、和光電碼盤等組成，控制系統(tǒng)基本組成見圖3-1。 控制器送給驅(qū)動器一定頻率和個數(shù)的脈沖，驅(qū)動器接收脈沖信息和方向信號，碼盤反饋位置信息給控制器，步進電機為兩相混合式直線步進電機。由于步進電機屬于數(shù)字脈沖驅(qū)動型，一個脈沖走一步，通過脈沖的個數(shù)可以確定其位置，通過脈沖的頻率可以控制轉(zhuǎn)速。但如果控制做的不好，容易導(dǎo)致失步

17、甚至堵轉(zhuǎn)，例如當負載的速度跟不上脈沖的頻率時，就會失步。當開環(huán)系統(tǒng)發(fā)生失步時，控制器并不知道系統(tǒng)已失步，此時如果有位置反饋及時糾錯，同時修正系統(tǒng)的加減速控制，就可以使系統(tǒng)繼續(xù)正常的工作，這樣提高系統(tǒng)的精度，同時也避免了堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。圖3-1 控制系統(tǒng)基本組成圖3.2 控制器 控制器用于完成微機伺服命令解釋，在位置反饋下實現(xiàn)步進電機的精確控制， 主要包括：微機通訊接口、碼盤接口、碼盤信號處理、驅(qū)動電機接口、TMS320F28xx、電源等，其中控制主板接口全部采用光電隔離措施，控制器原理框圖見圖3-2所示。 圖3-2 控制器原理框圖其中，DSP作為核心處理器實現(xiàn)各種外圍功能和核心算法，F(xiàn)PGA配

18、合DSP實現(xiàn)加減速控制，輸出脈沖信號給驅(qū)動器。編碼器的正交信號可以直接送給DSP的碼盤接口由DSP計數(shù)，也可送給FPGA進行計數(shù)，然后由DSP讀取，進而減輕DSP的負擔，本系統(tǒng)的編碼器線數(shù)為3600線，4倍頻后是14400，小于DSP內(nèi)部編碼器期寄存器的計數(shù)范圍，所以本系統(tǒng)直接采用DSP自帶編碼器器接口實現(xiàn)碼盤位置信息的采集。3.2.1 TMS320F28xx概述TMS320F28xx DSP是TI公司新推出的一款浮點型數(shù)字信號處理器，它在已有的DSP平臺上增加了浮點運算內(nèi)核，既保持了原有DSP芯片的優(yōu)點，又能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點運算，可以節(jié)省代碼執(zhí)行時間和存儲空間，具有精度高、成本低、功耗小、外

19、設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)及程序在儲量大和AD轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點。TMS320F28xx具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM（HRPWM），12位16通道ADC。得益于其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSP相比，平均性能提高50，并與定點C28X控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。具有密碼保護機制，可兼顧控制和快速運算的雙重功能。通過對其進行合理的系統(tǒng)配置和編程可實現(xiàn)快速運算。功能框圖如圖3

20、-3所示。其主要資源和性能指標如下：1)高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻最高可達150MHz（時鐘周期6.67ns）,低功耗，1.8V核電壓和3.3V I/O電壓供電。2)支持JTAGB邊界掃描。3)32位高性能CPU，可實現(xiàn)32×32位或16×16位乘法累加，哈佛總線結(jié)構(gòu)，與TMS320F24x/LF240x DSP源代碼兼容。4)片上內(nèi)存豐富，含有128K×16bits可加密FLASH，18K×16bitsSARAM。5)外部接口可達1M×16bits的存儲器，可編程等待周期，三個獨立的片選信號。6)片上集成了16個通道的12位A/D接口，最小

21、轉(zhuǎn)換時間80ns，可靈活設(shè)置采樣方式。7)看門狗定時器模塊，支持鎖相環(huán)模塊PLL比率動態(tài)改變。8)中斷資源豐富，可支持96個外設(shè)計中斷和3個外部中斷，提取中斷向量和保存現(xiàn)場只需9個時鐘周期，響應(yīng)速度快。9)通用輸入/輸出多路復(fù)用器（GPIO）擁有多達56個I/O口。10)片內(nèi)功能豐富：兩個時間管理模塊（EV），包括4路16位時間定時器，12路PWM輸出通道及6路光電碼盤接口；2路串行通信接口（SCI）以及1路多通道緩沖串行接口（McBSP）和1路eCAN總線模塊。圖3-3 TMS320F28xx功能框圖3.3 驅(qū)動器 驅(qū)動器主要包括環(huán)形分配器和功率放大器。驅(qū)動器基本框圖如3-4。各部分原理分析

22、如下：圖3-4 驅(qū)動基本框圖3.3.1脈沖信號產(chǎn)生脈沖信號一般由MCU或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。3.3.2信號分配  我們選用二相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如 下：二相四拍有A-B-/A-/B和,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-DA,(步距角為0.9度）。信號分配可以直接通過DSP產(chǎn)生，但為了減小DSP的負擔，我們通過ASIC實現(xiàn)信號的環(huán)形分配。圖3-5

23、 驅(qū)動勵磁通電圖3.3.3功率放大 功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分數(shù)等。經(jīng)上面的精度分析，步進電機在半步0.9度，在加上減速比i，i=10 時步距角可以達到0.09度，i=60時理論上可以達到更高。所以，可以不采用細分控制，這樣有很多專用的步進電機驅(qū)動芯片可用例如：L297和L298,PBL37770A,PM8

24、713等。包含8細分功能的驅(qū)動芯片也有幾款可用，例如 ALLEGRO公司的A3955SB，AS796，MTD2005，SAA1042，UC3770是可實現(xiàn)8細分的步進電機集成驅(qū)動芯片。3.3.4細分驅(qū)動在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。圖3-6 合成磁場示意圖為盡量提高電機的動態(tài)性能和模塊化，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。與控制器接口光電隔離。步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越

25、高。電壓對力矩影響如下：圖3-7 力矩-速度3.4總體設(shè)計采用電機微控制器TMS320F28xx芯片根據(jù)控制算法輸出一個特定的PWM脈沖序列，該脈沖序列經(jīng)由特定的步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)對高精度的步進電機的控制，通過控制算法調(diào)節(jié)電機的運行狀態(tài)和運行速度并送上位機實時顯示。3.5硬件組成本控制系統(tǒng)中主要硬件：TMS320F28xx芯片；位置傳感器選用3600線增量式光電編碼器； 控制系統(tǒng)中所選步進電機為：兩相混合式步進電機，步距角 0.9度/1.8度，驅(qū)動電壓選24v。從理論上講，步進電機的驅(qū)動方式只需要通過循環(huán)改變定子線圈勵磁就能實現(xiàn)，但是由于電機對電路驅(qū)動能力要求高，故本系統(tǒng)采用外接驅(qū)動芯片A39

26、77。A3977細分驅(qū)動器采用高性能的專用微步距電腦控制芯片，其含內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的完整的微步電動機驅(qū)動器。只需在一個步進輸入一個脈沖即可驅(qū)動電動機進行一個步進，通過兩個邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進模式。其內(nèi)部同步整流控制電路用來改善脈寬調(diào)制（PWM）操作時的功率消耗，并且該芯片可以自動地控制其PWM操作在快、慢及混合衰減模式。本驅(qū)動芯片設(shè)置為全步模式，其采用共陰接法en使能，dir控制方向，step信號接收脈沖信號，信號的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖的個數(shù)控制電機的步進距離。系統(tǒng)的總體硬件圖如圖3-8所示。圖3-8 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計圖4 直線步進電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1PWM脈沖序列的產(chǎn)生

27、 PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號產(chǎn)生就是電流調(diào)整過程，通過產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通角，從而調(diào)整輸出電流平均值，達到轉(zhuǎn)速控制目的。本系統(tǒng)采用DSP28xx共12路16位的ePWM，能進行頻率和占空比控制。PWM信號頻率由時基周期寄存器TBPDR和時基計數(shù)器的計數(shù)模式?jīng)Q定。初始化程序采用的計數(shù)模式為遞增計數(shù)模式。在遞增計數(shù)模式下，時基計數(shù)器

28、從零開始增加，直到達到周期寄存器值（TBPDR），然后時基計數(shù)器復(fù)位到零，再次開始增加。PWM信號周期與頻率的計算如下： TBCLK=SYSCLKOUT/(HSPCLKDIV×CLKDIV): (1)Tpwm=（TBPRD+1）*Ttbclk: (2)Fpwm=1/（Tpwm） (3)其初設(shè)置程序流程圖如圖4-1所示。初始化函數(shù)初始化IO口設(shè)置EPWM2B輸出PWM脈沖設(shè)置TBPRD完成計數(shù)周期改變計數(shù)頻率設(shè)置增計數(shù)模式初始化其他變量設(shè)置占空比進行反轉(zhuǎn)設(shè)置圖4-1 程序流程圖4.2步進電機的控制步進電機的輸入信號包括步進脈沖信號和方向電平信號。每接收一個脈沖信號CP，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)

29、一個步距角，步進電機的轉(zhuǎn)速與CP的頻率成正比，CP的脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的角度。電機的轉(zhuǎn)動方向由DIR信號決定。在步進電機控制系統(tǒng)中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果CP信號變化太快，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象。所以直接按最高運行速度啟動將產(chǎn)生丟步或根本不能運行的情況，而對于正在快速運行的步進電機，若在到達終點附近，立即停發(fā)脈沖，令其立即鎖定，也很難實現(xiàn)。由于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性，會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。 因此步進電機在啟動時，必須有一個升速過程，同樣在停止時也必須有一個減速的過程。升速過程由突跳頻率加升速曲線組成（減速過程則反之）。所謂突跳頻率是指步進電機在靜止狀態(tài)時突然施加的脈沖啟動頻率f0,此頻率不可太

30、大，否則也會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步。因此，在控制過程中，運行速度要有一個加速高恒速減速停止的過程。步進電機的加減速控制有多種形式，常用的有按指數(shù)曲線和按勻加減速直線規(guī)律安排加減速。直線加減速平穩(wěn)性較好，適用在速度變化范圍較大的快速定位中，編程實現(xiàn)簡單。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，但是實現(xiàn)起來比較繁瑣。步進電機整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個升速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。所選定的這種曲線比較符合步進電機升降的運行規(guī)律。能充分利用步進電機的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。4.3程序設(shè)計4.3.1無反饋控制模式 這樣對步進電機的升降頻控制就顯得格外重要，這也成了本設(shè)計的

31、一個難點。根據(jù)步進電動機變速過程動力學特性，以指數(shù)曲線前段規(guī)律作為前后沿的近似梯形確定的升降頻特性，既能保證步進電機運行過程不會失步，又充分發(fā)揮了步進電動機的固有性能，使升頻過程達到時間最短要求。 升降頻控制算法的實現(xiàn)通常是將其離散化，即將其轉(zhuǎn)換為脈沖時間間隔對脈沖個數(shù)的函數(shù)，另一種方法是按升降頻過程所走過的脈沖步數(shù)定步中斷來變頻。但是離散化方法既會引起頻率突跳和失步，又要進行復(fù)雜的迭代運算，而定步法同樣需要進行迭代。這兩種方法在DSP上不易實現(xiàn)，靈活性較差。為此本文研究一種可稱為定時的方法。 設(shè)最高運行頻率為fh（電機恒速段的速度），升頻段總時間為ts。則根據(jù)步進電動機指數(shù)型升頻過程的頻率時

32、間關(guān)系： F（t）=fM -(fM-fb)*exp(-t/T) (1)式中fb為步進電機氣動頻率；fM為極限運行頻率；T為驅(qū)動系統(tǒng)時間常數(shù)則有： fh=f(ts)=fM-(fM-fb) *exp(-ts/T)從而得到： ts=T*ln(fM-fb)/ (fM-fh) (2)將ts等分為N段，得到各段時間為：ta=ts/N則第i個等分段ta內(nèi)脈沖切換頻率和要送出的脈沖數(shù)分別為： Fi-f(i*ta)=fM-(fM-fb)*exp(-i*ta /T) (3) Xi=ta*fi (4)故升頻段的總步數(shù)為：P= X0+ X1+ XN-1 (5)將脈沖間隔1/ fi轉(zhuǎn)換為DSP內(nèi)部32位定時器的時間常數(shù)

33、Ki。轉(zhuǎn)換關(guān)系式為： Ki=f_DSP/fi,i=0,1,2, , N-1 (6)由于降頻段特性變化規(guī)律與升頻段相反，可知降頻序列是升頻序列的逆序列。 電機在恒速步進階段，以fh的換相頻率步進。因此對應(yīng)的定時器時間常數(shù)為： KN=f_DSP/fh (7)恒速段總步數(shù)為：X_h=X_total-2*P (8)式中X_total為步進電機運動的總步數(shù)。電機運行前，由主程序計算出升頻段和恒速段定時器時間常數(shù)序列Ki（i=0,1,2, , N-1），存放于DSP的4k的SARAM中，形成一個K-P升速表格。當電機運行時，在線查表，用取出的Ki設(shè)置DSP的PWM中的周期寄存器的值，從而不斷改變PWM波形

34、的周期，實現(xiàn)對電機速度的調(diào)節(jié)。根據(jù)升速、降速和高頻恒速，決定升速表地址指針增1、減1或不變。通過這種定時的方法，一方面提高了系統(tǒng)的靈活性，可根據(jù)輸入的最高頻、起動頻率等參數(shù)改變升降速表，另一方面升降速表的求取不占用運行時間，從而提高了運行效率。步進電機控制模塊的部分程序代碼如下：/主循環(huán)，一直循環(huán)While(1) FindAddr();/一直循環(huán)讀取地址信息，直到地址正確/讀入電機轉(zhuǎn)動的方向：1.順時針方向轉(zhuǎn)；否則，逆時針方向轉(zhuǎn)Direction=_getkey()；/讀入電機轉(zhuǎn)動的速度Speed=_getkey()；If(Direction=1)P1_1=0；/方向：順時針elseP1_1=

35、1；/方向：逆時針for(j=0；jSteps；j+)P1_0=!P1_0:/一個上升沿/延時（為了控制速度而使用的空循環(huán)）for(i=0；jSpeed；i+)P1_0=!P1_0:/一個下降沿for(i=0；jSpeed；i+)/檢查轉(zhuǎn)動過程中是否收到字母qCharacter=SBUF；RI=0:/如果收到字母q，則停止if(Character=q)break；Printf(“l(fā)d”,j)；/返回實際轉(zhuǎn)動的步數(shù)；break；4.3.2速度反饋模式 對于步進電機系統(tǒng)，在沒有失步和堵轉(zhuǎn)的情況下，可以不采用速度反饋。而這些要求在實際中往往難以保證。為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，抗干擾性，防止在失步或堵轉(zhuǎn)時出

36、現(xiàn)的嘯叫聲音，同時使系統(tǒng)可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)，可采用速度反饋。 速度反饋的實現(xiàn)有兩種方案：碼盤位置的差分處理 和 PWM中斷中的同步檢測。碼盤位置差分處理。采用定時器的定時采集位置數(shù)據(jù)，并取差，計算出速度。并與指令速度作比較，然后做相應(yīng)的處理。PWM中斷中位置同步檢測中斷一次，負載應(yīng)走一步。計算中斷次數(shù)和碼盤的的位置差值，判斷是否失步或堵轉(zhuǎn)。在失步情況下，減速處理，在堵轉(zhuǎn)情況下，馬上停止。同時置故障標志，并上傳。 速度曲線， 包含升速曲線和降速曲線，可以采取直線升速，但影響的快速性。比較來說，指數(shù)曲線是理想的速度曲線，與電機的電磁轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性相適應(yīng)。假設(shè)曲線分100段，最高速為15000P/s, 以伺

37、服系統(tǒng)的步距角為單位。指數(shù)曲線：EXP(-n/50)升速曲線：R=15000*(1-EXP(-n/50)降速曲線：R=15000*EXP(-n/50)圖4-2 指數(shù)速度曲線 經(jīng)過理論和試驗分析，升速曲線性能可以，但降速曲線在高速時的降速加速度較大，而電機在高速時的力矩輸入較小，此時速度較高時容易出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，所以把降速曲線設(shè)計為升速曲線的逆轉(zhuǎn)過程，經(jīng)過試驗證明效果很好。另外因從靜止升速時指數(shù)曲線的的加速度較大，可以增加在低速階段的運行時間以防止失步，同時也減小了停止時的過沖作用。指數(shù)曲線生成函數(shù)：void produce_curve(Uint16* PU,Uint16* PD,Uint16

38、Fz,float T,Uint16 Nfactor) /T: 指數(shù)曲線間隔取樣時間， s 單位 Uint16 n=0; /float T=0.02;/nT=0-0.1-0.2-0.3.-3 Uint16 Fzbuf=0; float fbuf=0; float T0=0.001818;/1/550 fbuf=Fz; Fzbuf=fbuf/(1-EXP(100,T); for(n=0;n<9;n+) PU2*n=Fzbuf * (1-EXP(n+1,T0); PU2*n+1=T * PU2*n* 0.5* Nfactor ;/0.8 for(n=0;n<100;n+) PU2*(n+

39、9)=Fzbuf * (1-EXP(n+1,T); if(n<20) PU2*(n+9)+1=T * PU2*(n+9)*0.5* Nfactor ;/0.8 else PU2*(n+9)+1=T * PU2*(n+9)*0.5* Nfactor ; for(n=0;n<109;n+) /PD2*n=Fz * EXP(n,T); /PD2*n+1=T * PD2*n*0.3; PD2*n=PU2*(108-n); PD2*n+1=PU2*(108-n)+1; 速度查找函數(shù)：Uint16 curve_index(Uint16* Pcurve,Uint16 Fre,Uint16 upd

40、own) Uint16 n=0; if(updown=speed_up) for(n=0;n<109-1;n+) if(Fre<=Pcurve2*n/2+Pcurve2*(n+1)/2) break; else for(n=0;n<109-1;n+) if(Fre>=Pcurve2*n/2+Pcurve2*(n+1)/2) break; return n;總 結(jié)用邏輯電路實現(xiàn)的復(fù)雜的步進電機控制目前還比較常見，由于硬件電路成本高、費時多，而且通用性差，限制了其在更大范圍內(nèi)的使用。而當前的數(shù)字電機控制系統(tǒng)中，最普遍的是采用MCU及功率器件，這種控制系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定。但是，MCU的指令系統(tǒng)復(fù)雜，多數(shù)指令要23個指令周期能完成，而其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器在同一空間、同一時刻只能訪問指令或數(shù)據(jù)，造成其運