基于DSP的爬樓輪椅步進電機驅動系統設計

魏凌雲 曹東興

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

步進電機是一種典型的運動執行設備，能夠將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線性位移[1]。它具有成本低、響應快、調速范圍寬以及無累積誤差等特點，與爬樓輪椅的動力需求相匹配。因此，本文選用兩相混合式步進電機作為爬樓輪椅電機驅動系統的選型電機。

1 兩相混合式步進電機原理及建模

步進電機將電脈沖信號按一定順序輸入到各相繞組，形成驅動步進電機運動的旋轉磁場[2]。為了給驅動方案的設計、仿真和實驗研究提供理論基礎，設計了一種簡化的兩相雙極性混合式步進電機模型，以A相繞組方向為正方向，相位差為90°。定義N極轉子軸線為d軸，q軸超前d軸90°。忽略一些非線性因素的影響，如磁滯、漏磁及渦流對電機轉動的阻礙作用，以及鐵芯磁飽和現象、磁場的高次諧波以及溫度等環境因素，建立兩相混合式步進電機旋轉坐標系下的數學模型。

動力學方程如下[3]：

式中：ua、ub和ia、ib分別是A和B兩相繞組的電壓和電流；R是定子繞組電阻；L是定子繞組電感；θ是轉子電角度；ω是轉子角速度；J是轉動慣性；Nr是轉子齒數；Km是電機轉矩常數；B是粘滯摩擦系數；τL是負載擾動轉矩。

經過Park變換，得到新的狀態空間方程：

忽略定位轉矩τd，保持id=0[4]，步進電機的瞬時轉矩可以簡化為：

由式（3）可見，步進電機的瞬時轉矩與瞬時電樞電流成正比，因此可以通過提高電流來提高轉矩。

2 步進電機驅動系統硬件設計

步進電機驅動系統整體結構，如圖1所示，包括上位機、控制器、驅動電路、外部電源、步進電機以及機械負載等。為提高系統性能，本文主要針對驅動系統進行設計。驅動系統的作用是將控制電路發送的弱電信號放大為能夠驅動電機工作的強電流信號，從而實現對步進電機的運動控制。

圖1中的DSP28035為主控芯片，具有對系統信息的采集和處理能力以及通過強大的外設功能實現復雜的算法控制等功能。驅動電路采用雙H橋驅動電路，為了提高驅動電路的容錯能力，加入了冗余橋臂。當某一橋臂出現故障時，由冗余橋臂代替完成回路。每個H橋控制一相繞組電流，控制脈沖經過DSP內部運算后輸出脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波，從而控制各相繞組的電流大小和方向[5]。通過采集采樣電阻和編碼器信號，可以實現電流、轉速及位置的反饋和保護。

圖1 步進電機驅動系統整體結構圖

3 步進電機驅動系統軟件設計

系統的程序設計包括主程序和子程序設計，其中主程序主要實現環境搭建和邏輯關系處理。為了提高步進電機驅動系統在實際運行過程中的控制精度，采用電流環、速度環和位置環三閉環控制系統，如圖2所示。其中，電流環采用空間矢量脈寬調制加比例積分（Proportional Integral，PI）調節的控制方法，使實際電流能夠快速、平穩地到達目標電流值，提高系統的響應速度。速度環采用S型速度曲線與PI調節結合的控制方法，動態調整實際速度，保證快速、穩定地達到目標速度值，同時避免發生失步和過沖現象。位置環采用模糊比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制，通過模糊推理動態調節PID參數，從而提高步進電機的位置控制精度。

圖2 電機控制結構框圖

4 驅動系統調試及實驗結果

實驗選取爬樓輪椅前腿升降機構對所設計的步進電機驅動系統進行性能測試。前腿升降機構主要在爬樓、越障和過溝模式下提供支持和導向作用，增大了爬樓輪椅的適用范圍。

在對前腿升降機構進行測試時，通過上位機發送控制指令，使前腿升降機構從距離機架50 mm處運動到110 mm處。同時，在測試過程中使用上位機控制界面，每200 ms采集一組傳感器數據。

如圖3所示，由升降機構測試曲線可以看出：實驗室原來設計的PI調節驅動系統調節時間長，超調量和穩態誤差大；本文設計的驅動系統超調量和穩態誤差小，到達指定目標時間短，整體運行平穩，綜合性能優于原有PI調節驅動方式。通過對前腿升降機構的測試可以看出，本文設計驅動系統可以實時響應上位機下發的控制指令，并能夠快速、平穩地將被控機構調節到目標位置，滿足爬樓輪椅系統的使用要求。

圖3 前腿升降機構驅動系統測試曲線

5 結語

本文對步進電機進行了原理分析及數學建模，并對步進電機驅動系統進行了硬件與軟件方面的設計。在硬件設計方面，設計了容錯型雙H橋驅動電路，提高了電路的安全性。在軟件設計方面，設計了基于模糊PID的三閉環控制方案，提升了系統運行的響應速度和穩定性。通過實驗得出，本設計具有可行性和有效性。