步進電機高速起停控制的DSP實現

胡家文， 馬文禮， 黃金龍

(1.中國科學院光電技術研究所，四川成都 610209;

2.中國科學院研究生院，北京 100039)

0 引言

步進電機是數字控制系統的重要執行元件，是一種將電脈沖信號轉換為角位移或線位移的控制電機。每輸入一個脈沖信號，電機就轉動一個步距角，其角位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數和脈沖頻率成比例。通過改變脈沖頻率的高低，就可以在很大范圍內調節電機轉速，并能實現快速起動、制動和反轉，是一種離散化執行元件，廣泛應用于各種自動化數字控制系統中。在實際應用過程中，由于控制不當，易發生起動時振動失步及停止時過沖的現象，導致運行穩定性和定位精度受到影響，在處于負載較大且頻繁起停的工況時，這種現象更加明顯。本文針對某大快門研制試驗的要求，提出了一種基于TMS320LF2407A型DSP速度控制方法，試驗證明，該方法滿足了快門頻繁快速打開和關閉的要求，且響應速度快，定位準確。

1 TMS320LF2407A型DSP簡介

隨著超大規模集成電路技術的迅速發展，DSP數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)的性能價格比得到很大提高，使得DSP在電機控制領域的應用愈來愈廣泛。TI公司的TMS320LF2407A是TI公司最常用的DSP控制芯片，性價比高，廣泛應用于電機控制、數字信號處理等多種領域。它采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3 V，減少了控制器的功耗;40 MIPS的執行速度使指令周期縮短到25 ns，從而提高了控制器的實時控制能力。兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括:16通道10位A/D轉換器;2個16位通用定時器;3個捕獲單元;8個16位的脈寬調制(PWM)輸出;內置正交編碼脈沖(QEP)電路;控制器局域網通信接口(CAN);16位的串行外設(SPI)接口;基于鎖相環的時鐘發生器;16位的PWM輸出通道能夠實現:三相反相器控制;PWM的對稱和非對稱波形;當外部引腳POPINTX出現低電平時快速關閉PWM通道;可編程的PWM死區控制，以防止對上下橋臂同時輸出觸發脈沖;事件管理器模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

本控制系統中使用事件管理器EVA模塊的比較單元1，發出頻率變化的PWM脈沖信號控制步進電機運轉速度，利用I/O控制步進電機轉動方向。

2 速度控制

步進電機在工作時將輸入的數字脈沖轉換成電機軸的輸出角度，每個脈沖使轉軸轉動一個步距角，并依靠電磁力矩將轉軸準確地鎖定在相應的步距位置上。

步進電機在靜態時產生的輸出轉矩最大，當輸入脈沖頻率(即電機轉速)增加時，電機各相電感在電路接通和斷開時，阻止相電流達到穩態值，進而電機轉矩下降。步進電機的牽入轉矩曲線是指電機在不同負載下，能夠直接驅動而不致失步的最大起動頻率;牽出轉矩曲線是指電機在不同負載下，能夠正常工作而不致失步的最大工作頻率。在特定負載情況下，步進電機有一個最大起動轉速和最大負載轉速，如果以超出最大起動轉速的速度直接驅動電機，將會造成電機失步，嚴重時電機不能起動;如果電機以超出最大負載轉速的速度運行，則不能驅動負載。

在實際應用過程中，若步進電機在升降速過程中，脈沖頻率的變化不合理，就會使電機失步或者過沖，使系統無法做到精確定位;同時，由于系統快速性的要求，電機需要很快地完成加減速過程。故必須提供合理加減速運行曲線，在保持定位精度的前提下，提高系統的運行速度。因此有必要了解步進電機加減速的運行規律，對脈沖頻率進行合理性研究。找出最佳脈沖輸出方案，使步進電機在運行過程中能達到快速定位，運行步數準確。

對于步進電機來說，如果想得到最快的加、減速過程，就需要在每個頻率下輸出相應的最大轉矩，即電機以最大的加速度來運行，就可以得到最快的加減速曲線。每個頻率下的最大輸出力矩可以由電機矩頻特性曲線得到，但一般的矩頻特性曲線是整體呈下降趨勢的非線性曲線，不便于計算。因此在一定的頻率范圍內，用不同的曲線一次、二次甚至高次來擬合其特性。

如圖1所示，在頻率f1～f2段，隨著頻率增加輸出轉矩變化較小，可以認為輸出轉矩不變，那么加速度不變，故可采用勻加減速控制。在步進電機升速過程中，勻加減速運動使加速度保持一恒定值不變，速度以線性規律上升，如圖2所示。該加速快速性較好，控制算法簡單。在特定的場合，若是頻率只從f1升到f2，則可采用這種方法。若要上升到更高的頻率，則需以最高頻率對應輸出轉矩能達到的加速度上升，則整個加速過程較長。

圖1 步進電機矩頻特性曲線

圖2 勻加減速曲線

如圖1所示，在頻率f3～f4段，頻率和輸出轉矩特性成直線關系，故通過擬合得出曲線的頻率和時間的關系為f=fm(1－e－t/τ)，τ 為決定升速快慢的時間常數，在實際工作中由試驗確定。fm為負載轉矩下步進電機最高連續運行頻率。故在加減速控制過程中，開始加速度最大，且隨著速度的升高而逐漸減小，速度上升得越來越慢。當速度上升至最高值時，加速度降低至最小，理想情況下應接近于0，如圖3所示。

圖3 指數型加減速曲線

拋物線型曲線可分段為指數曲線，因此又稱為雙段指數曲線，如圖4所示。該方法具有加加速、加速、減加速、勻速、加減速、減速、減減速等七個運動階段，實際應用較復雜，計算量較大，主要適用于對加減速平穩性要求較高的場合。

圖4 拋物線型加減速曲線

在快門步進電機的運用中，由于快門打開、關閉距離相對較小，直接用起動頻率工作無法滿足要求，結合對電機的矩頻特性曲線進行分析，發現頻率上升到f2即可滿足要求，故采用勻加減速曲線是最好的選擇。用勻加減速曲線編程簡單，占用資源少，并且能充分保證步進電機的運行穩定性，同時兼顧了升降運行快速性，本控制系統中的速度控制采用勻加減速控制曲線。

式中:Tm——電機輸出轉矩最大值;

Tf——總負載轉矩;

犀牛是陸地上體重僅次于大象的動物，有“鎧甲武士”之稱。北白犀是北非白犀牛的簡稱，2011年被世界自然保護聯盟列為極危物種。可時間回溯到五六十年前，北白犀還有2000頭左右。短短半個世紀，一個物種就從現實世界走進了歷史長河。這個過程是如何上演的？

J——電機轉子本身及負載總轉動慣量;

θ——電機轉子轉過的角度。若設步距角為k0，則:

從而有

其中:

在矩頻特性曲線上點P1(f1，T1)到點P2(f2，T2)，這里T1=T2=Tf+Jβ

從而有

電機轉速可由公式給出:

式中:ω(t)——電機轉速;

ω0——電機起動速度;

β——角加速度。

若Ti為相鄰兩個進給脈沖之間的時間間隔，ω0為進給一步后的末速度，β為進給一步的加速度，則有

由此可計算出相鄰兩個進給脈沖間的頻率關系:

其中:

根據式(7)，用計算機實施輸出脈沖控制時，輸出脈沖的頻率為離散頻率值fi，i=0，1，2，3，…，N。其中，f0可取電機的起動頻率，在系統中取1 000 Hz。減速過程為其逆過程。

實際控制過程中，加速階段，將定時器1配置為連續增計數模式，定時器1周期寄存器內的值就代表脈沖頻率。通過在線計算，將各段速度對應的脈沖頻率換算為DSP定時器周期寄存器的值，在每次中斷處理程序中在線計算下一速度段定時器周期寄存器的裝載值，并將其裝載入周期寄存器中，重復此過程直到步進電機達到預定的頻率。勻速階段，先計算出勻速的步數，每次中斷處理程序中步數減1，直到步數為零。減速階段，則為加速階段的逆過程。流程圖如圖5所示。

3 結語

圖5 速度控制流程圖

步進電機加減速控制技術是步進電機控制中的一項關鍵技術。步進電機升降速曲線的設計直接影響電機運行的平穩性、升降速的快慢、最高速度、定位精度等，從而決定了系統的綜合性能。本文介紹了一種基于TI2407A DSP的步進電機高速起停控制的數字化實現方法，并將其應用于工程實踐中。實踐證明，該方法簡單易行，有效克服了步進電機加減速過程中易出現的失步、堵轉等問題，系統定位精度滿足用戶要求。

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