基于dsp的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制研究（碩士論文）doc

1、 基于dsp的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制研究引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制各相繞組中的電流，使它們按一定的規(guī)律上升或下降，即在零電流到最大電流之間形成多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的合成磁場(chǎng)矢量的方向也存在多個(gè)中間狀態(tài)，且按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)。其中合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，合成磁場(chǎng)矢量的方向決定了細(xì)分后步距角的大小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制理論自其產(chǎn)生已經(jīng)經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展。過(guò)去由于受到電子元器件在開(kāi)關(guān)頻率、負(fù)載能力、運(yùn)算速度等諸多方面的制約，很長(zhǎng)一段時(shí)間細(xì)分控制的實(shí)際應(yīng)用很少。隨著微電子技術(shù)特別是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)及dsp技術(shù)的飛速發(fā)展以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

2、的細(xì)分控制也得到了充分發(fā)展。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多都由單片機(jī)控制，單片機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不僅減小了控制系統(tǒng)的體積、簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)進(jìn)一步提高了細(xì)分精度和控制系統(tǒng)的智能化。 隨著dsp技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，形成了交流電動(dòng)機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無(wú)刷直流電機(jī)控制、永磁同步電機(jī)矢量控制等多種先進(jìn)、復(fù)雜的電機(jī)控制方式。形成了電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的一次新的技術(shù)熱潮。本章基于dsp技術(shù)，結(jié)合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的有效控制，并對(duì)其關(guān)鍵電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。3.2兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制原理243.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角速度波動(dòng)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成

3、正比，與邏輯通電狀態(tài)及轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比，即平均轉(zhuǎn)速： (r/s) (3-1)則平均角速度： (rad/s) (3-2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)，可將整個(gè)頻域分為極低頻、低頻和高頻等幾種運(yùn)行狀態(tài)。1. 極低頻運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在極低頻狀態(tài)時(shí)，有，即控制脈沖的周期或間隔時(shí)間大于停止時(shí)間的頻域。電動(dòng)機(jī)每走一步，都是單步響應(yīng)過(guò)程，電動(dòng)機(jī)按其自然頻率振蕩可衰減到靜止。式(3-2)中，電動(dòng)機(jī)的平均角速度很小，但是在自由振蕩過(guò)程中最大角速度可以達(dá)到相當(dāng)大的值。實(shí)際上在該頻域內(nèi)電動(dòng)機(jī)處于斷續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，角速度波動(dòng)很大，在其正的最大值和負(fù)的最大值之間變化。2. 低頻運(yùn)行狀態(tài) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低頻狀

4、態(tài)時(shí)，有，在這個(gè)頻段內(nèi)，控制脈沖的時(shí)間間隔比停止時(shí)間小，單步的角速度振蕩不能衰減到零。但是控制脈沖的間隔時(shí)間比自由振蕩周期的四分之一要長(zhǎng)，所以一般有過(guò)沖或超調(diào)。在這個(gè)頻段內(nèi)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，初始條件比較復(fù)雜，在不利的情況下可能產(chǎn)生明顯的振蕩，包括，這就是通常所說(shuō)的低頻共振點(diǎn)。3. 高頻運(yùn)行狀態(tài) 高頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，有 > 4f0 。在這個(gè)頻段內(nèi)，控制脈沖的周期小于自由振蕩周期的四分之一 ，所以在這一頻段內(nèi)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，第一步的角位移肯定不會(huì)超過(guò)一個(gè)步距角，即產(chǎn)生滯后的動(dòng)態(tài)誤差。電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，也就不會(huì)有步進(jìn)的感覺(jué)。于是把 作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高頻運(yùn)行頻域的分界線，也就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入比較連續(xù)

5、平穩(wěn)運(yùn)行的分界線。從以上分析可以看出，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。這種由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。為此當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在極低頻運(yùn)行狀態(tài)和低頻運(yùn)行狀態(tài)這兩個(gè)頻段運(yùn)行時(shí)，有必要采用細(xì)分控制技術(shù)，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角速度波動(dòng)，提高速度控制精度，減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，提高電動(dòng)機(jī)使用壽命。3.2.2 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本原理從前一章（2.3）節(jié)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁模型可知，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相同時(shí)通電流時(shí)，不計(jì)鐵心飽和的影響，應(yīng)用疊加原理，可得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩： (3-3)兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的距角特性為正弦曲線這一特性非常重要，它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分

6、控制得以實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在某一位置時(shí)，即，則： (3-4) 為了實(shí)現(xiàn)恒力矩驅(qū)動(dòng)，并保持力矩輸出為最大值，假設(shè)a相電流的變化取三角函數(shù)關(guān)系，即： (3-5)則： (3-6)式中為電動(dòng)機(jī)軸預(yù)置位置的電角度。則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩式(3-3)可表示為： (3-7)此時(shí)，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以作為一臺(tái)多極兩相永磁同步電動(dòng)機(jī)分析，如果轉(zhuǎn)子有個(gè)齒，則它的特性相當(dāng)于一臺(tái)(此例=8)個(gè)極的兩相同步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于理想化模型（不計(jì)鐵心飽和的影響），兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子兩相分別通入模擬的正、余弦電流則可得到類似同步機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，使電動(dòng)機(jī)均勻旋轉(zhuǎn)。微步驅(qū)動(dòng)正是用有限的數(shù)字化電流模擬正余弦電流，從而得到比

7、較好的控制效果。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由a到b轉(zhuǎn)過(guò)電角度，電動(dòng)機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。按式(3-7)對(duì)電動(dòng)機(jī)a、b兩相電流進(jìn)行控制時(shí)，每當(dāng)變化，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)的步距角，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的360細(xì)分控制。由的不同就可以確立不同的細(xì)分方式。圖3-1是取步長(zhǎng)，即電動(dòng)機(jī)8細(xì)分時(shí)在一個(gè)步距角內(nèi)電機(jī)a、b相電流的變化情況。圖3-1 a、b兩相在8細(xì)分時(shí)的電流變化情況細(xì)分時(shí)兩相電流的值可按下式計(jì)算得到： (3-8)其中：為細(xì)分?jǐn)?shù)； 為步數(shù)。式(3-8)即為兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電細(xì)分?jǐn)?shù)學(xué)模型。由此可見(jiàn)，對(duì)于不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，便可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。由圖3-1可知，實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是一條多階梯的梯形曲線，用來(lái)擬合需要的正余

8、弦曲線，所以也將其稱之為擬正弦曲線。理論上，只要將細(xì)分的步長(zhǎng)設(shè)置得足夠細(xì)（實(shí)際受電動(dòng)機(jī)自身性能與控制器性能的影響不可能一直細(xì)分下去），此時(shí)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在特性上就是一臺(tái)多極兩相永磁同步電機(jī)。通過(guò)分析，我們可以看到，例如在8細(xì)分控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)整步步進(jìn)時(shí)的每一步此時(shí)需要前進(jìn)8個(gè)微步，在細(xì)分?jǐn)?shù)提高后電動(dòng)機(jī)每一個(gè)整步需要的微步數(shù)更多，也就是每個(gè)微步的步距角更小。同樣的時(shí)間間隔，電動(dòng)機(jī)整步運(yùn)行時(shí)每前進(jìn)一步，在細(xì)分控制時(shí)就要前進(jìn)許多的微步。這樣當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)采用細(xì)分控制后，就可以降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角速度波動(dòng)，從而達(dá)到提高速度控制精度、減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪音、提高電動(dòng)機(jī)使用壽命的目的。3.3基于ds

9、p的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn)3.3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案的選擇實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分運(yùn)行時(shí)，細(xì)分的均勻性是首先要考慮的。通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)有等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)和電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)法在每次繞組電流進(jìn)行切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是在一相繞組電流保持不變的情況下，另一相繞組電流均勻地增大或減小，這樣電動(dòng)機(jī)的合成磁場(chǎng)只旋轉(zhuǎn)原電弧角的一部分，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度也為步距角的一部分，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。這時(shí)額定電流是臺(tái)階式的通入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距

10、角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。由于等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)法在原理上不能保證均勻細(xì)分步距角，而步距角不均勻又容易引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩和失步。另外，由于電流矢量的幅值不斷改變，輸出力矩的大小也無(wú)法保持恒定。因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的恒力矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制電動(dòng)機(jī)繞組中的電流使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場(chǎng)的角度變化也要均勻

11、。我們知道在空間上彼此相差的相繞組，分別通以相位上相差而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量（或磁場(chǎng)矢量，這里認(rèn)為電流矢量與磁場(chǎng)矢量成線性關(guān)系）便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值保持不變。目前報(bào)道的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器多采用量化的梯形波、正弦波作為細(xì)分驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電流波形，但事實(shí)上這些電流波形在一般的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上均不能得到滿意的細(xì)分精度25。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于dsp控制的斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電角度為，則通入的電流相位也應(yīng)該為。圖3-2 兩相四拍混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩相相電流按式(3-8)

12、變化時(shí)，則合成電流矢量（以為參考）： (3-9)這是一個(gè)以為幅值，為幅角。這樣，每當(dāng)?shù)闹蛋l(fā)生變化時(shí)，則合成的矢量轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度，且幅值大小保持不變，實(shí)現(xiàn)了恒力矩、均勻步距角的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。利用式(3-8)可得到細(xì)分后a、b兩相的驅(qū)動(dòng)電流大小，量化后制成表格的形式存入dsp。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，只要從表中取出與步數(shù)s相對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)送入控制電路中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相繞組電流的控制，從而達(dá)到細(xì)分步距角的目的。3.3.2恒流斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案及其硬件電路設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化電路，減小體積，本文采用了dsp控制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的方案。dsp控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩

13、種。放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受dsp輸出的電壓控制，電路較為簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，容易引起晶體管的溫漂影響驅(qū)動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制（pwm）式兩種。斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不斷對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)反饋電阻轉(zhuǎn)換為電壓形式，然后和d/a轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)出的值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通，這樣保證了繞

14、組兩端的電壓與d/a轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓一致。脈寬調(diào)制（pwm）式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把d/a轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過(guò)對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案的原理為：由dsp輸出eeprom中存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，再與取樣信號(hào)進(jìn)行比較，形成斬波控制信號(hào)，控制各功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)步距的精確細(xì)分。系統(tǒng)框圖如圖3-3所示。圖3-3 硬件系統(tǒng)原理圖由前面分析可知，為了克服諸多不利因素，我們選擇處理速度很快、接口功

15、能強(qiáng)大、片上資源豐富，非常適合用于各種監(jiān)測(cè)與控制的美國(guó)德州儀器公司（ti）tms320f240系列dsp(digital signal processor)作為檢測(cè)控制單元的處理器。ti公司的tms320f240系列dsp具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)外部總線分別訪問(wèn)數(shù)據(jù)、程序、i/o三個(gè)獨(dú)立的尋址空間，其具體的片上資源和技術(shù)特點(diǎn)如下：(1) 高性能的靜態(tài)cmos技術(shù)，4種用于減少功耗的省電方式(2) 50ns（20mips）指令周期(3) 存儲(chǔ)器·片內(nèi)由544字節(jié)的雙口ram；·16k字節(jié)的flash；·共244k字節(jié)的存儲(chǔ)器尋址空間(64k字節(jié)的程序空間，64k

16、字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，64k字節(jié)的i/o空間和32k字節(jié)的全局空間)；(4) 事件管理器(ev) ·12個(gè)比較/脈寬調(diào)制(pwm)通道； ·3個(gè)16位通用定時(shí)器； ·3個(gè)16位全比較和簡(jiǎn)單比較單元；·4個(gè)捕獲單元，其中兩個(gè)具有直接連接正交編碼器脈沖的能力；(5) 2個(gè)8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)(6) 28個(gè)獨(dú)立可編程多路復(fù)用i/o引腳(7) 帶適時(shí)中斷(rti)的看門狗(wd)定時(shí)器模塊 (8) 異步串行通訊接口sci(9) 同步串行外設(shè)接口spi(10)基于掃描的仿真jtag下面就對(duì)基于dsp控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)主要電路分別加以介紹。1.控制電路d

17、sp系統(tǒng)是控制電路的核心，它由ti公司的tms320lf2407a dsp微處理器、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、eprom及eeprom存儲(chǔ)器等組成。受控步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、啟停頻率、運(yùn)行頻率、行走步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)清零、以及啟停信號(hào)等的控制既可由鍵盤進(jìn)行，也可通過(guò)與上位機(jī)的串行口通信通道由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電相、相電流大小、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)前運(yùn)行步數(shù)、正反轉(zhuǎn)等的顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。單片機(jī)的主要功能是輸出eeprom中存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求， d/a轉(zhuǎn)換器既可以選擇8位的，亦可選擇12位的。本系統(tǒng)選用maxim公司的8位d

18、/a轉(zhuǎn)換器maxim 516。maxim 516把4個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器與4個(gè)比較器組合在單個(gè)的cmos ic(dip20封裝)上，4個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器共享一個(gè)參考輸入電壓。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓均可采用下式表示： (3-10)，對(duì)應(yīng)于8位的dac的輸入碼（此處為細(xì)分電流控制信號(hào)），通過(guò)調(diào)節(jié)的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中電流的幅值。2功率驅(qū)動(dòng)電路工作中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分電流控制信號(hào)的d/a轉(zhuǎn)換值輸入到maxim 516內(nèi)部各比較器compi的同向輸入端，繞組電流取樣信號(hào)輸入到compi的反向輸入端。斬波恒流驅(qū)動(dòng)采用固定頻率的方波與比較器輸出信號(hào)調(diào)制成斬波控制信號(hào)，控制繞組的通電時(shí)間，使反饋電壓始終跟隨

19、d/a轉(zhuǎn)換輸出的控制電壓。合理選擇續(xù)流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動(dòng)，且波動(dòng)范圍不大。調(diào)制用方波信號(hào)頻率為21.74khz，由dsp的pwm端產(chǎn)生，且各相是同頻斬波， 不會(huì)產(chǎn)生差拍現(xiàn)象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通，把斬波控制信號(hào)與相序控制信號(hào)相與后去控制功放管。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，并聯(lián)rc、快恢復(fù)續(xù)流二極管d、繞組l及主電源構(gòu)成泄放回路。與單純r(jià)釋能電路相比，rc釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號(hào)由精密電流傳感放大器max 471完成。當(dāng)繞組電流流過(guò)其內(nèi)部35精密取樣電阻時(shí)，經(jīng)內(nèi)部電路變化，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)

20、： (3-11)其中為max 471外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計(jì)要求選定。為流過(guò)精密電阻的相繞組電流。max 471同時(shí)具有電流檢測(cè)與放大功能，從而大大方便了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。功率開(kāi)關(guān)管(功放管)是功放電路中的關(guān)鍵部分，影響著整個(gè)系統(tǒng)的功耗和體積。由于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)額定電流3a、額定電壓27v以下的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，故選用高頻vmos功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管irf 540 (=100v，(on)=0.052，=27a)作為開(kāi)關(guān)管。irf 540導(dǎo)通電阻很小。因此，即使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該vmos管殼本身的溫度比較低，不須外加風(fēng)扇。為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作可靠性，消除電機(jī)電感性繞組的串?dāng)_，本系統(tǒng)無(wú)論

21、從驅(qū)動(dòng)部分還是反饋部分都進(jìn)行了隔離。驅(qū)動(dòng)隔離采用高速光耦合器6n137為隔離元件，一方面可以實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制電路同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的隔離，另一方面使功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無(wú)源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組(電感線圈)在開(kāi)關(guān)時(shí)截止頻率以上的瞬時(shí)高頻電壓信號(hào)，從而避免控制電路做出太迅速的反應(yīng)，可以有效地防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩。線性光耦電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號(hào)線性地傳輸給比較器。3恒流斬波控制環(huán)節(jié)如圖3-4所示，本系統(tǒng)采用德州儀器公司的tl494來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流斬波功能，其核心部分為脈沖寬度比較器，并具有1個(gè)振蕩器、2個(gè)運(yùn)算放大器、1個(gè)觸發(fā)器和1個(gè)5v基準(zhǔn)電壓源等，其

22、5、6腳外接ct、rt確定了振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波頻率。在實(shí)際應(yīng)用中rt確定了振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波頻率。在實(shí)際應(yīng)用中采用其中一個(gè)運(yùn)算放大器作為恒流斬波的控制單元，電流給定由一個(gè)運(yùn)算放大器lm324構(gòu)成的射極跟隨器給出，實(shí)現(xiàn)了恒流給定與tl494中內(nèi)部運(yùn)算放大器的隔離，提高了給定的抗干擾能力。調(diào)節(jié)器采用pi控制，電流反饋經(jīng)過(guò)一階低通濾波接至運(yùn)算放大器的1腳，增加了電流檢測(cè)的抗干擾能力；4腳為死區(qū)控制端，在該端加入-0.3v以下的電壓后可將pwm的最大占空比提高到100%，減少功率管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗。圖3-4 恒流斬波控制電路本系統(tǒng)采用“上斬下不斬”的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)恒流斬波功能，下面僅以一個(gè)工作節(jié)拍為例來(lái)

23、說(shuō)明調(diào)節(jié)原理，如圖3-5所示。在t1-t2區(qū)間if<iref，tl494的3腳電壓v3接近0v，通過(guò)邏輯分析，則8腳為低電平，對(duì)應(yīng)的ir2130的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，則mosfet導(dǎo)通，電流上升；當(dāng)電流上升到t2時(shí)刻，if>iref時(shí)，則v3升高，大于鋸齒波電壓，則8腳輸出為高電平，則ir2130的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，即為無(wú)效電平，關(guān)斷mosfet，if下降，一直降到t3時(shí)刻又開(kāi)始了下一斬波周期，從而實(shí)現(xiàn)了恒流斬波調(diào)節(jié)。圖3-5 恒流斬波工作原理4電流反饋電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)a、b相繞組電流的采樣信號(hào)從功率驅(qū)動(dòng)電路的adc00、adc01兩個(gè)采樣點(diǎn)以電壓的形式輸出，由于采樣電阻為0.5/

24、2w，所以對(duì)2a的繞組電流輸出的電壓即為1v，因?yàn)槔@組電流存在正反向，則輸出電壓也存在正反向。這一電壓需要送到電流反饋電路進(jìn)行限幅、偏置等處理。圖3-6 電流反饋電路圖3-6為a相電流反饋電路，b相電流反饋電路與之相同。從圖中可以看到，在第一級(jí)運(yùn)算放大器輸入電壓與輸出電壓之間存在如下關(guān)系： (3-12)通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻可按比例調(diào)節(jié)。使反饋電壓的幅值在某一個(gè)范圍內(nèi)變化，第二級(jí)運(yùn)算放大器為一升壓電路，使其輸出電壓存在如下關(guān)系： (3-13)通過(guò)第二級(jí)運(yùn)算放大器可以使輸出到dsp a/d模塊的電壓在03v之間變化。5過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)為防止燒毀dsp芯片需要對(duì)其數(shù)字電源進(jìn)行過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)，這里使

25、用了芯片tps7333qd所具有的過(guò)電壓和欠壓保護(hù)功能，這里不再詳述。另外本系統(tǒng)需要保護(hù)的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)故障燒毀，系統(tǒng)必須在電動(dòng)機(jī)繞組電流過(guò)高時(shí)停止對(duì)電動(dòng)機(jī)供電。為此設(shè)計(jì)了過(guò)電流保護(hù)電路如圖3-7所示。圖3-7電動(dòng)機(jī)電流保護(hù)電路如圖3-7所示，過(guò)電流保護(hù)電路采用了lm358比較器，由兩只分壓電阻r16、r17將5v電壓分壓至1v，送到比較器同相端。r13為正反饋電阻。由電流采樣電路送來(lái)的a、b兩相電流信號(hào)經(jīng)過(guò)兩只二極管送比較器反向端，比較器輸出pinta端信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后送dsp微處理器的pdpint引腳。平時(shí)比較器反向端的電壓較低，所以比較器輸出pinta端都是高電平。由于

26、二極管正向?qū)▔航导s為0.7v，所以adc00、adc01任何一處的電壓超過(guò)1.7v時(shí)比較器將觸發(fā)，在pinta端輸出一低電平。這個(gè)低電平信號(hào)將在dsp芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)最高等級(jí)的中斷，使dsp的pwm信號(hào)停止輸出，則電動(dòng)機(jī)斷電。電阻r4和電容構(gòu)成一個(gè)濾波環(huán)節(jié)，防止系統(tǒng)因外界干擾而誤觸發(fā)。由于電動(dòng)機(jī)繞組電流采樣電阻為0.5歐，對(duì)應(yīng)于1.7v的觸發(fā)電壓，電動(dòng)機(jī)電流為3.4a，因此當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流超過(guò)3.4a時(shí)系統(tǒng)將保護(hù)動(dòng)作。3.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動(dòng)程序、通信監(jiān)控程序等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖

27、3-8 控制軟件結(jié)構(gòu)框圖下面對(duì)于細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題分別加以介紹。（1）主程序。主要包括各個(gè)中斷出入口的定義、各個(gè)模塊初始化、微步進(jìn)步長(zhǎng)s的計(jì)算、電流差值的求取、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的確定、外部命令信號(hào)的采集和處理以及pwm信號(hào)生成等內(nèi)容。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制軟件主程序在所有初始化后就打開(kāi)sci串行通訊中斷，讀取上位機(jī)發(fā)送來(lái)的各種外部信號(hào)，這些信號(hào)包括電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向選擇、轉(zhuǎn)速大小選擇、開(kāi)機(jī)/停機(jī)信號(hào)。以及通過(guò)讀取撥位開(kāi)關(guān)確定電動(dòng)機(jī)給定電流的峰值大小。在轉(zhuǎn)速由上位機(jī)給定后，最關(guān)鍵的任務(wù)就是計(jì)算細(xì)分步長(zhǎng)s。計(jì)算細(xì)分步長(zhǎng)s的工作主要按以下步驟完成24。第一步，求事件管理器a的gp定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率。

28、本設(shè)計(jì)選用gp定時(shí)器tipr寄存器的計(jì)數(shù)周期為256，由于dsp的時(shí)鐘頻率為8mhz，所以gp定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率為：hz (3-14)第二步，求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率。以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速240轉(zhuǎn)/分鐘計(jì)算，假設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為，則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)脈沖頻率為： hz (3-15)第三步，求得電動(dòng)機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為： (3-16)第四步，求步長(zhǎng)值： (3-17)在步長(zhǎng)值求出后，就可以查表求出電流給定的基值，結(jié)合電動(dòng)機(jī)給定電流的峰值輸入，就可以確定電流的給定值。再讀取電流反饋adc模塊送來(lái)的電動(dòng)機(jī)繞組電流實(shí)際值，求出的差值經(jīng)pid環(huán)節(jié)后送pwm信號(hào)生成子程序，生成pwm信號(hào)后，結(jié)合dsp的電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出

29、一起送到電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，主程序具體的流程如圖3-9所示。圖3-9 主程序流程圖在主程序中電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由dsp的i/o口的iopb4和iopb5輸出相位不同的邏輯信號(hào)決定。（2）函數(shù)表的形成。本文采用了類似于文24中的方法。在實(shí)時(shí)dsp應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)非線性運(yùn)算，一般都采取適當(dāng)降低運(yùn)算精度來(lái)提高程序的運(yùn)算速度。查表法是快速實(shí)現(xiàn)非線性運(yùn)算最常用的方法。采用這種方法必須根據(jù)自變量的范圍和精度制作一張表格。顯然，輸入的范圍越大，精度要求越高，則所需的表格就越大。查表法所需的表格就越大，即存儲(chǔ)量也越大。查表法求值所需的計(jì)算就是根據(jù)輸入值確定表的地址，根據(jù)地址就可以得到相應(yīng)的值，因而運(yùn)

30、算量較小。對(duì)于正余弦函數(shù)而言，由于正弦函數(shù)是周期函數(shù)，函數(shù)值在1和1之間，用查表法比較適合。在tms320lf2407a dsp微處理器中，采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)采用整型數(shù)來(lái)表示。一個(gè)整型數(shù)的最大表示范圍取決于dsp芯片所給定的字長(zhǎng)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，所能表示的數(shù)的范圍越大，精度也越高。本設(shè)計(jì)采用16位字長(zhǎng)。采用的定點(diǎn)數(shù)定標(biāo)為q15，dsp的定點(diǎn)運(yùn)算方式可參考有關(guān)技術(shù)資料。q15的表示范圍為3276732768之間，此時(shí)1用32767來(lái)表示，1用32767來(lái)表示。對(duì)于正弦函數(shù)，制作一個(gè)512點(diǎn)的表格并實(shí)現(xiàn)查表的方法如下：首先，產(chǎn)生512點(diǎn)值的c語(yǔ)言程序如下表示：#define n 512 #

31、define pi 512 int sin_tab512 void main( ) int i； for(i=0；i<n；i+)sin_tani=(int)(32767*sin(2*pi*i/n)； 然后查表。查表實(shí)際上就是根據(jù)輸入值確定表的地址。設(shè)輸入在0之間，則對(duì)應(yīng)于512點(diǎn)表的地址為：index=(int)(512*/)，則。如果 用q12 定點(diǎn)數(shù)表示，將用q9表示為20861，則計(jì)算正弦表的地址的公式為：。通過(guò)以上步驟就可以建立一個(gè)正弦表并可以進(jìn)行查表工作。對(duì)于其它函數(shù)用類似的方法也能實(shí)現(xiàn)，這里不再?gòu)?fù)述。（3）細(xì)分驅(qū)動(dòng)模塊。細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序中，細(xì)分電流控制信號(hào)的輸出采用以上介紹的查表

32、法來(lái)完成，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)256細(xì)分時(shí)的流程圖如圖3-10所示。 不同細(xì)分?jǐn)?shù)的程序流程用同樣的方法可以得到。 圖3-10 256細(xì)分時(shí)的軟件流程圖（4）a/d轉(zhuǎn)換程序模塊。tms320lf2407的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（adc）具有以下特性：·帶內(nèi)置s/h的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊adc；·多達(dá)16個(gè)模擬輸入通道（adcin0adcin15）；·自動(dòng)排序的能力，一次可執(zhí)行最多6個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換的通道可以通過(guò)編程選擇；·可單獨(dú)訪問(wèn)的16個(gè)結(jié)果寄存器（result0result15）用來(lái)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果，多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換；·靈活的中斷控制允許在每一個(gè)或

33、隔一個(gè)序列的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求；·內(nèi)置校驗(yàn)?zāi)Ｊ胶妥詼y(cè)模式；由于tms320lf2407的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（adc）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字量，電動(dòng)機(jī)電流的最大值由撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，此處假設(shè)為2.4v，則電動(dòng)機(jī)繞組正向通電時(shí)檢測(cè)到的電壓為1.2v，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為1024。電動(dòng)機(jī)繞組反向通電時(shí)檢測(cè)到的電壓為-1.2v，經(jīng)過(guò)偏置后輸出電壓為0.3v，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為0。另外，tms320lf2407的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（adc）采用級(jí)連工作方式下自動(dòng)排序，在這種工作方式下adc模塊能夠序列轉(zhuǎn)換并進(jìn)行自動(dòng)排序?？梢酝ㄟ^(guò)模擬輸入通道的多路選擇器mux select來(lái)選擇要轉(zhuǎn)換的通道。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換后的數(shù)

34、值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器（result0result15）中。在一個(gè)排序中的轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)受max conv寄存器中的一個(gè)4位段域控制，這個(gè)值在自動(dòng)排序開(kāi)始時(shí)被裝載到自動(dòng)排序狀態(tài)寄存器中，當(dāng)排序器從通道1開(kāi)始有順序的轉(zhuǎn)換時(shí)，自動(dòng)排序狀態(tài)寄存器的值向下遞減直至為0。ad轉(zhuǎn)換模塊所有需要轉(zhuǎn)換的ad信號(hào)以及轉(zhuǎn)換通道選擇見(jiàn)表3-1。表 3-1 adc轉(zhuǎn)換通道設(shè)置屬通道最輸入信號(hào)均結(jié)果寄存器最信號(hào)內(nèi)容max conv寄存器設(shè)置s1 4adcin005result007a相電流s22adcin013 esult014b相電流max conv5p31adcin023result026轉(zhuǎn)速給定p40adcin031result032電流峰值給定由于在電動(dòng)機(jī)控制器