一種基于TMS570與DRV84x2的多路步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計

汪利建，李 川，楊啟帆

（中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著科技發(fā)展，步進(jìn)電機在航空航天、醫(yī)療器械、機器人等領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，步進(jìn)電機控制系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕⑻幚砥?驅(qū)動器為核心的控制方式為主，這種控制策略具有輕量化、易于實現(xiàn)、性能可觀以及成本可控等優(yōu)點[1]。目前，機械傳動控制技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)自動化領(lǐng)域最常用的研究技術(shù)之一[2]。在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，多個步進(jìn)電機同步控制對系統(tǒng)硬件資源和控制效率提出了嚴(yán)格的要求[3,4]。利用TI公司的重新生成代碼（HAL Code Generator，HCG）工具和高端計時器集成開發(fā)環(huán)境（High End Timer Integrated Development Environment，HET IDE），將TMS570微控制器與DRV84x2驅(qū)動器應(yīng)用在多路步進(jìn)電機控制系統(tǒng)中，可以有效簡化控制電路的復(fù)雜度，提高控制效率。

1 步進(jìn)電機控制原理

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的開環(huán)控制電機。在步進(jìn)電機中，當(dāng)電流流過定子繞組時，會使定子繞組產(chǎn)生矢量磁場，該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定的角度[5,6]。每輸入一個控制脈沖，電機就會按照特定的角度旋轉(zhuǎn)一步，這個角度叫做步距角。步進(jìn)電機隨著脈沖輸入旋轉(zhuǎn)，輸入脈沖的周期長，則電機轉(zhuǎn)速慢；輸入脈沖的周期短，則轉(zhuǎn)速快[7]。

步進(jìn)電機共有3種驅(qū)動模式，分別是滿步驅(qū)動、半步驅(qū)動以及微步驅(qū)動[8]。在實際應(yīng)用中，為了減少機械傳動結(jié)構(gòu)的磨損、提高控制精度，通常采用微步驅(qū)動模式[9]。微步驅(qū)動的基本原理是控制定子繞組上的電流大小，使定子繞組線圈產(chǎn)生的磁場強度不同，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的平衡位置發(fā)生變化。

2 主要應(yīng)用技術(shù)

本文采用TMS570LS3137芯片作為主控芯片、DRV8432芯片作為步進(jìn)電機驅(qū)動器進(jìn)行設(shè)計。MS570LS3137芯片是TI公司研發(fā)的高性能汽車級微控制器，最大可支持44路脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出，因此可以輸出多路步進(jìn)電機的控制信號[10]。設(shè)計中采用HET IDE對多路PWM信號進(jìn)行設(shè)置，采用HCG工具將HET IDE生成的.c文件與.h文件添加至工程中，從而生成可執(zhí)行文件。HCG工具的增強型高端計時器（Enhanced High-End Timer，NHET）驅(qū)動設(shè)置界面如圖1所示。

圖1 HCG工具界面

DRV8432芯片內(nèi)部集成雙全橋電機驅(qū)動器，可以根據(jù)需求配置為4路半橋驅(qū)動、2路全橋驅(qū)動或雙全橋驅(qū)動。該芯片的每路半橋具有獨立電源與接地引腳，可以根據(jù)實際需求進(jìn)行配置[11,12]。同時，DRV8432芯片最大支持500 kHz的PWM開關(guān)頻率，內(nèi)部集成保護電路，可以識別欠壓、過壓、過溫、過載以及短路等多種異常情況，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工廠自動化以及機器人領(lǐng)域。

3 多路步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于TMS570LS3137與DRV8432進(jìn)行多路步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計，采用兩相四線制步進(jìn)電機作為控制對象，控制原理如圖2所示。

將TMS570LS3137作為主控芯片，完成PWM信號輸出和外圍芯片的使能控制，同時監(jiān)控后級驅(qū)動芯片和步進(jìn)電機的工作狀態(tài)，對超溫、過壓等異常狀態(tài)及時告警。由于TMS570LS3137芯片能夠支持多路PWM信號輸出，DRV8432可以同時輸出4路驅(qū)動信號，針對多路步進(jìn)電機的控制需求，設(shè)計中直接采用多個驅(qū)動芯片控制的方式實現(xiàn)[13]。主控芯片同時輸出多路PWM控制信號，每路步進(jìn)電機相互獨立、互不影響，采用嵌入式軟件對PWM信號的輸出頻率和占空比進(jìn)行控制即可完成多路步進(jìn)電機的同步控制[14]。

以2路步進(jìn)電機的控制為例，采用HET IDE工具對所需的2路步進(jìn)電機（8路PWM信號）控制信號的周期和占空比進(jìn)行設(shè)置，其中定時器頻率設(shè)置為90 MHZ，PWM信號頻率設(shè)置為40 kHz，占空比為50%。HET IDE工具中對4路PWM信號的設(shè)置程序為

L00 CNT {reg=A, irq=OFF, max=99}

L01 MCMP {en_pin_action=ON, pin=0, order=REG_GE_DATA,action=PULSELO, reg=A,data=2, hr_data=64};

L02 MCMP {en_pin_action=ON, pin=1, order=REG_GE_DATA,action=PULSELO, reg=A,data=0, hr_data=4};

L03 MCMP {en_pin_action=ON, pin=2, order=REG_GE_DATA,action=PULSELO, reg=A,data=4, hr_data=0};

L04 MCMP {en_pin_action=ON, pin=3, order=REG_GE_DATA,action=PULSELO, reg=A,data=0, hr_data=0};

L05 BR {next=L00,cond_addr=L00, event=NOCOND}

在嵌入式軟件中采用定時器中斷來實現(xiàn)步進(jìn)電機的微步驅(qū)動，即在不同時刻控制TMS570LS3137芯片在相應(yīng)引腳輸出期望的PWM控制信號，然后由驅(qū)動芯片輸出步進(jìn)電機的實際控制信號。步進(jìn)電機每接收到1組控制信號，便轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，以此實現(xiàn)控制。具體的軟件控制邏輯如圖3所示。

圖3 軟件控制邏輯

根據(jù)步進(jìn)電機的控制原理，在軟件中控制對應(yīng)PWM信號的占空比變化，即可完成步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速控制。

基于實際硬件電路與嵌入式軟件進(jìn)行系統(tǒng)功能驗證，通過設(shè)定、調(diào)節(jié)期望PWM控制信號，使用示波器來觀測微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）輸出電壓波形和驅(qū)動器輸出電壓波形，并連接實際步進(jìn)電機進(jìn)行驗證。經(jīng)過實際測試，結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)中的電壓輸出波形與期望相符，實際步進(jìn)電機工作狀態(tài)良好，能夠通過調(diào)節(jié)對應(yīng)信號進(jìn)行啟停控制、方向控制以及轉(zhuǎn)速控制。

4 結(jié) 論

基于微處理器與驅(qū)動器設(shè)計多路步進(jìn)電機控制方案，避免了復(fù)雜煩瑣的驅(qū)動控制電路，具有控制方式簡單靈活、簡化電路布局布線的優(yōu)勢，同時兼顧了實際電機控制效率與控制精度。經(jīng)過實際驗證與分析，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路步進(jìn)電機控制，具備較好的工程應(yīng)用價值。