多自由度步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)研究

舒宗燕，劉景林，張曉旭

(西北工業(yè)大學，陜西西安 710129)

0 引 言

步進電動機又稱為脈沖電機，是一種將脈沖控制信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的控制元件。其位移量與脈沖數(shù)成嚴格正比關系，可以通過控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來實現(xiàn)精確地定位和調(diào)速，因此步進電動機廣泛應用于數(shù)控機床、繪圖機和自動記錄儀表儀等方面［1］。然而由于制造工藝的限制，步進電動機的步距角是有限的，以及存在低頻振蕩現(xiàn)象，常常采用細分驅(qū)動方式。同時，步進電動機的轉(zhuǎn)矩與電流成正比關系，為了降低轉(zhuǎn)矩脈動，還需采用恒流驅(qū)動方式。步進電動機在多電機復雜系統(tǒng)中應用的越來越多，如天線伺服系統(tǒng)。因此設計一種多自由度的步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)具有較高的實用價值。

本文所設計的驅(qū)動控制系統(tǒng)廣泛采用集成模塊和專用模塊，極大地簡化了系統(tǒng)、降低了成本及提高了可靠性。采用數(shù)字信號處理器件(DSP)TMS320F2812作為控制核心，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(PBM3960)和步進電動機專用驅(qū)動芯片(LMD18245)實現(xiàn)恒流斬波功能。整個系統(tǒng)可以方便地獨立改變各個自由度的細分數(shù)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和電流，各個自由度之間不會相互影響。

1 細分驅(qū)動技術

步進電動機細分驅(qū)動技術是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電動機綜合使用性能的驅(qū)動控制技術。步進電動機的細分驅(qū)動通常有等電流細分法和電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。等電流細分法是保持一相繞組電流不變，另一相繞組電流均勻地增大或減小，這樣合成磁場只旋轉(zhuǎn)原來電角度的一部分，因此步進電動機的步距角也為原來的一部分，實現(xiàn)了步進電動機的細分驅(qū)動。由此可見，等電流細分法的步距角是不均勻的，容易引起電機的振蕩和失步，而且磁場矢量幅值也不是恒定的，造成了電機的轉(zhuǎn)矩脈動［2］。四細分時繞組電流波形如圖1所示。電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法是在m相繞組上通以相位依次相差(兩相為)而幅值相等的正弦電流，其合成電流矢量在空間做旋轉(zhuǎn)運動，四細分時繞組電流波形如圖2所示。以兩相步進電動機為例，文獻［3］得出兩相繞組電流:

圖1 等電流細分法電流波形

圖2 電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法電流波形

其合成電流矢量(以ia為參考):

由式(3)可知，合成電流矢量幅值為Im，幅角為－θ，其運行方式為圓形旋轉(zhuǎn)運動。按式(1)和式(2)給電機繞組通以正弦電流，每當ia和ib轉(zhuǎn)過一個時間角度Δθ，合成電流矢量同時轉(zhuǎn)過一個相應的空間角度，且成線性關系，合成電流矢量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場帶動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)矩與電流成正比，只要保持電流幅值不變，便可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運動，同時保證θ的均勻變化，就能實現(xiàn)步進電動機恒力矩、均勻細分步距角驅(qū)動［4］。

在實際應用中，需要將1/4周期的正弦波按細分數(shù)進行等分，再將各個點的正弦值存入非易失性存儲器(比如FLASH)中制成細分表。要實現(xiàn)多種細分數(shù)時，只要按最大細分數(shù)進行細分和存儲，其他更小的細分數(shù)都可以從這個基礎細分表中得到。比如要實現(xiàn) 256、128、64、32等細分數(shù)時，只需制作256細分的細分表，其他的細分數(shù)都可以通過它按照一定的間隔調(diào)出。CPLD是一種根據(jù)用戶各自需要構建邏輯功能的數(shù)字集成電路，其編程采用E2PROM或FASTFLASH技術，在系統(tǒng)掉電后能保存其編程信息。利用CPLD強大的時序邏輯和組合邏輯功能以及豐富的邏輯資源，能夠方便地實現(xiàn)細分數(shù)據(jù)的生成和輸出。DSP具有強大的數(shù)據(jù)計算能力，可以快速地對每個角度進行三角函數(shù)運算，從而準確地生成正弦階梯波。利用TMS320F2812型DSP也可以方便地實現(xiàn)上述功能。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)結構框圖如圖3所示，整個系統(tǒng)包括控制核心DSP(TMS320F2812)、雙通道 D/A(PBM3960)、功率電路(LMD18245)以及過流保護電路。整個系統(tǒng)由一個控制核心帶動三個自由度的兩相混合式步進電動機。三個自由度的硬件電路完全一致，且相互獨立，可以防止各個自由度之間相互影響。DSP接收外部輸入信號并進行處理，同時生成每個自由度的兩路正弦階梯波形的數(shù)字信號，雙通道D/A將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號供給功率橋，功率橋接收來自D/A的控制信號并驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動芯片帶有過流保護電路，能夠?qū)崟r監(jiān)測電機繞組電流，電流過大時切斷繞組電流，保證整個系統(tǒng)的安全可靠運行。

圖3 系統(tǒng)結構框圖

控制核心采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型DSP，該芯片內(nèi)部集成128K的片內(nèi)FLASH，因此無需再外接非易失性存儲器，簡化了系統(tǒng)結構。輸入信號復位、起停、正反、細分數(shù)都是由DSP的通用I/O引腳輸入，這些二進制信號都由撥碼開關生成。脈沖信號是控制步進電動機節(jié)奏的信號，在每一個上升沿步進電動機向前運動一步，其步距角由細分數(shù)決定。它是通過DSP的捕獲引腳輸入，捕獲引腳能夠檢測輸入信號的上升沿，從而觸發(fā)捕獲中斷，進而執(zhí)行相應的中斷程序使步進電動機按照其他輸入信號的要求運動。輸出電流數(shù)據(jù)通過并行I/O口輸出給各個自由度，由于其總線位數(shù)有限，所以需要采用分時復用技術才能滿足數(shù)據(jù)格式的要求。

3 系統(tǒng)電路及程序

雙通道D/A采用PBM3960。圖4為其電路連接圖。該芯片采用高速CMOS技術制造，是一種7位雙通道數(shù)－模轉(zhuǎn)換器件，供電電壓5 V，輸出模擬電壓范圍Vref－1 LSB。數(shù)據(jù)輸入引腳 D0～D7接DSP的細分數(shù)據(jù)信號，其中前7位是數(shù)據(jù)信號，第8位是方向位。Vref為參考電壓，典型值2.5 V，改變該值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的峰值，從而改變繞組電流的峰值。利用分時復用可以實現(xiàn)雙通道轉(zhuǎn)換，由引腳A0選擇當前轉(zhuǎn)換通道，低電平時選擇DA1，高電平時選擇DA2。芯片自動根據(jù)當前選擇的通道將D7的值賦給Sign1或者Sign2，即根據(jù)D7的值控制繞組A或繞組B的電流方向。為數(shù)據(jù)寫引腳，在的上升沿將D0～D7的值寫入內(nèi)部寄存器，再由D/A對寄存器的值進行轉(zhuǎn)換。為使能信號，低電平時芯片有效。DA1和DA2接功率橋的電流給定引腳，分別控制繞組A和繞組B的電流大小，Sign1和Sign2接功率橋的方向引腳，控制兩相繞組的電流方向。

圖4 雙通道D/A電路圖

功率驅(qū)動電路采用LMD18245。其電路連接及引腳功能如圖5所示。這是一種步進電動機專用集成驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成一個單相H橋和功率管驅(qū)動電路以及電流傳感器，還集成有一個4位D/A轉(zhuǎn)換器，整個芯片能方便地實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。芯片支持最高供電電壓55 V，最大電流3 A，繞組供電電壓從引腳VCC輸入。在本系統(tǒng)中，將內(nèi)部D/A的數(shù)字輸入引腳M1～M4全部置高，由參考電壓輸入引腳DACREF控制D/A的輸出，該輸出電壓將與繞組電流進行比較從而進行閉環(huán)控制，使得繞組電流時刻跟蹤給定電流。引腳DACREF接雙通道D/A其中一個通道的輸出引腳，該電壓值作為給定電流。引腳DIRECTION接收來自雙通道D/A的方向信號，控制繞組電流的方向。RC引腳接一個并聯(lián)電阻和電容，這兩個元件的參數(shù)決定芯片內(nèi)部單穩(wěn)電路的時間常數(shù)，使繞組電流的上升時間持續(xù)固定的時間t=1.1R1C1。模擬地引腳PGND通過一個阻值很小的精密電阻接地，用來對繞組電流進行采樣，當電流過大時，啟動保護電路從而切斷繞組供電，保證整個系統(tǒng)的安全可靠運行。

本系統(tǒng)采用C語言在CCStudio 3.1環(huán)境下對DSP進行開發(fā)。DSP的主要功能是生成各種細分數(shù)下的細分電流數(shù)據(jù)以及對外部芯片發(fā)出控制信號。細分數(shù)據(jù)主要采用計算法來實現(xiàn)，每間隔一定的角度進行三角函數(shù)運算就能產(chǎn)生正弦階梯波，而間隔的大小則決定了細分數(shù)。外部控制信號主要是對D/A的操作，比如對D/A的讀操作，以及控制功率橋的電流方向。

DSP程序流程圖如圖6所示。步進電動機控制器上電后，DSP控制程序完成各變量的初始化;之后進入主函數(shù)，完成各寄存器的初始化，看門狗計數(shù)器第一次清零，進入循環(huán)狀態(tài)，等待各中斷到來。DSP程序中共有四個中斷源，分別是:看門狗清零中斷;捕獲中斷1;捕獲中斷2;捕獲中斷3。如果程序產(chǎn)生中斷，則進入相應的中斷服務子程序，之后返回主程序繼續(xù)循環(huán)。看門狗清零中斷是為了程序的正常運行，防止程序跑飛，一旦程序跑飛，則復位DSP，程序從頭開始運行。三個捕獲中斷由三個自由度的脈沖信號分別觸發(fā)，一旦捕獲引腳捕捉到脈沖信號的上升沿，則進入相應的中斷服務子程序，讀取相應自由度的控制信號，從而對相應的自由度進行控制。

圖5 功率驅(qū)動電路

圖6 DSP程序流程圖

4 實驗結果

實驗使用的是兩相混合式步進電動機。供電電壓為15 V，額定電流0.6 A，步距角1.8°。本系統(tǒng)的關鍵是對電流進行控制，因此用電流鉗作為電流檢測工具，用示波器對繞組電流進行觀察，圖7和圖8分別是整步和128細分工作狀態(tài)時的兩相繞組電流波形的示波器截圖。

圖7 整步工作時繞組電流波形截圖

圖8 128細分時繞組電流波形截圖

實驗結果顯示，三個自由度的步進電動機都能完全獨立正常運轉(zhuǎn)，不會相互影響。由圖7可知，整步工作時兩相繞組電流為幅值相等而相位相差90°的方波，此時電機存在一定噪聲和振動，在較低的頻率下存在低頻振蕩現(xiàn)象。圖8為128細分時的電流波形，由于細分數(shù)比較高，繞組電流已接近正弦波，兩相繞組電流幅值相等，相位相差90°，符合式(1)和式(2)所描述的電流值。此時電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，且噪聲和振動都得到了明顯的抑制，在低頻時也能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

5 結 論

細分恒流驅(qū)動技術能夠有效地抑制步進電動機的低頻振蕩和轉(zhuǎn)矩脈動，使電機在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)地運行。基于上述技術的多自由度步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)能夠很好地解決多電機系統(tǒng)的協(xié)同工作問題，實現(xiàn)各個自由度的完全獨立工作。本系統(tǒng)大部分采用集成模塊，有效地減小了整個系統(tǒng)的體積和重量，提高了可靠性。實驗結果表明，基于上述原理設計的驅(qū)動系統(tǒng)的性能與理論分析相符合，具有可行性與實用性。

［1］陳隆昌，閻治安.控制電機［M］.第3版.西安:西安電子科技大學出版社，2000.

［2］王曉峰.步進電機的細分驅(qū)動技術研究［J］.井岡山學院學報，2007，28(10)52 －54.

［3］李玲娟.多細分兩相混合式步進電機驅(qū)動器的研制［D］.西安:西北工業(yè)大學，2007.

［4］宮嚴.雙自由度雙余度步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)［D］.西安:西北工業(yè)大學，2003.