1、17第三章 基于 DSP 的混合式步进电动机细分控制研究3.1 引言步进电动机的细分驱动是通过控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律上升或下降，即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也存在多个中间状态，且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅值决定了步进电动机旋转力矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。步进电动机的细分控制理论自其产生已经经历了近二十年的发展。过去由于受到电子元器件在开关频率、负载能力、运算速度等诸多方面的制约，很长一段时间细分控制的实际应用很少。随着微电子技术特别是单片机嵌入式系统及 DSP 技术的飞速发展以及现代电力电子
2、技术的突飞猛进，步进电动机的细分控制也得到了充分发展。目前，步进电动机的细分驱动电路大多都由单片机控制，单片机控制的步进电动机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化。 随着 DSP 技术的出现和发展，形成了交流电动机矢量控制、直接转矩控制、无刷直流电机控制、永磁同步电机矢量控制等多种先进、复杂的电机控制方式。形成了电动机控制领域的一次新的技术热潮。本章基于 DSP 技术，结合步进电动机的细分控制理论实现了对混合式步进电动机的有效控制，并对其关键电路进行了设计。3.2 两相混合式步进电动机细分控制原理 243.2.1 步进电动机角速度波动的特
3、点步进电动机的平均转速与控制脉冲频率 成正比，与逻辑通电状态 及转子cf 1N齿数 成反比，即平均转速：rZ(r/s) (3-1)1crfnZN则平均角速度： (rad/s) (3-2)12crf18步进电动机运行时，根据其运动形式的特点，可将整个频域分为极低频、低频和高频等几种运行状态。1. 极低频运行状态步进电动机运行在极低频状态时，有 ，即控制脉冲的周期或间隔时间1/csfT大于停止时间 的频域。电动机每走一步，都是单步响应过程，电动机按其自然频sT率振荡可衰减到静止。式(3-2)中，电动机的平均角速度很小，但是在自由振荡过程中最大角速度可以达到相当大的值。实际上在该频域内电动机处于断续
4、运行状态，角速度波动很大，在其正的最大值和负的最大值之间变化。2. 低频运行状态步进电动机运行在低频状态时，有 ，在这个频段内，控制脉冲的01/4scTf时间间隔比停止时间小，单步的角速度振荡不能衰减到零。但是控制脉冲的间隔时间比自由振荡周期的四分之一要长，所以一般有过冲或超调。在这个频段内启动电动机时，初始条件比较复杂，在不利的情况下可能产生明显的振荡，包括 ，0cf这就是通常所说的低频共振点。3. 高频运行状态高频运行状态时，有 4f0 。在这个频段内，控制脉冲的周期小于自由振荡周cf期的四分之一 ，所以在这一频段内电动机启动时，第一步的角位移肯定不会超过一个步距角，即产生滞后的动态误差。
5、电动机连续稳态运行时，也就不会有步进的感觉。于是把 作为步进电动机进入高频运行频域的分界线，也就是步进04cf电动机进入比较连续平稳运行的分界线。从以上分析可以看出，步进电动机在低速时易出现低频振动现象。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。为此当步进电动机在极低频运行状态和低频运行状态这两个频段运行时，有必要采用细分控制技术，降低电动机转矩波动和角速度波动，提高速度控制精度，减少运转噪音，提高电动机使用寿命。3.2.2 两相混合式步进电动机细分驱动的基本原理从前一章（2.3）节中步进电动机的电磁模型可知，当步进电动机两相同时通电流时，不计铁心饱和的影响，应
6、用叠加原理，可得到步进电动机的电磁转矩：19(3-3)sincoseoaebeTki两相混合式步进电动机的距角特性为正弦曲线这一特性非常重要，它是步进电动机细分控制得以实现的理论基础。当转子稳定在某一位置时，即 ，则：0eT(3-4)sincosaebe为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，假设 A 相电流的变化取三角函数关系，即： (3-5)cosami则： (3-inb6)式中 为电动机轴预置位置的电角度。则步进电动机的电磁转矩式(3-3)可表示为：(3-7)sin()eomeTk此时，两相混合式步进电动机可以作为一台多极两相永磁同步电动机分析，如果转子有 个齿，则它的特性相当于一台
7、 (此例 =8)个极的两相同步电动机。rZ2p对于理想化模型（不计铁心饱和的影响） ，两相混合式步进电动机定子两相分别通入模拟的正、余弦电流则可得到类似同步机的转矩特性，使电动机均匀旋转。微步驱动正是用有限的数字化电流模拟正余弦电流，从而得到比较好的控制效果。当电动机转子由 A 到 B 转过 电角度，电动机则转过一个步距角。按式 (3-7)09对电动机 A、B 两相电流进行控制时，每当 变化 ，步进电动机转子就转过01的步距角，从而实现电动机的 360 细分控制。由 的不同就可以确立不同的1/360细分方式。图 3-1 是 取 步长，即电动机 8 细分时在一个步距角内电机 A、B/16相电流的
8、变化情况。202B相 电 流 理 论 值 B相 电 流 实 际 值A相 电 流 理 论 值A相 电 流 实 际 值0图 3-1 A、B 两相在 8 细分时的电流变化情况细分时两相电流的值可按下式计算得到：(3-8)09cos()inambi其中： 为细分数；n为步数。s式(3-8)即为两相混合式步进电动机电细分数学模型。由此可见，对于不同的细分数，便可以实现步进电动机的细分驱动。由图 3-1 可知，实际实现的是一条多阶梯的梯形曲线，用来拟合需要的正余弦曲线，所以也将其称之为拟正弦曲线。理论上，只要将细分的步长设置得足够细（实际受电动机自身性能与控制器性能的影响不可能一直细分下去） ，此时的两相
9、混合式步进电动机在特性上就是一台多极两相永磁同步电机。通过分析，我们可以看到，例如在 8 细分控制时，电动机整步步进时的每一步此时需要前进 8 个微步，在细分数提高后电动机每一个整步需要的微步数更多，也就是每个微步的步距角更小。同样的时间间隔，电动机整步运行时每前进一步，在细分控制时就要前进许多的微步。这样当步进电动机低速运行时采用细分控制后，就可以降低电动机转矩波动和角速度波动，从而达到提高速度控制精度、减少运转噪音、提高电动机使用寿命的目的。3.3 基于 DSP 的步进电动机细分驱动及其实现3.3.1 步进电动机细分驱动方案的选择实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电动机运行平稳
10、性的一种21行之有效的方法。步进电动机细分运行时，细分的均匀性是首先要考虑的。通常步进电动机细分驱动有等电流细分驱动和电流矢量恒幅均匀旋转法。等电流细分驱动法在每次绕组电流进行切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是在一相绕组电流保持不变的情况下，另一相绕组电流均匀地增大或减小，这样电动机的合成磁场只旋转原电弧角的一部分，转子转过的角度也为步距角的一部分，实现了步进电动机的细分驱动。这时额定电流是台阶式的通入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角。步进电动机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电动机的励磁绕组中电流的控制，使步进电动机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，
11、从而实现步进电动机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电动机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。由于等电流细分驱动法在原理上不能保证均匀细分步距角，而步距角不均匀又容易引起步进电动机的振荡和失步。另外，由于电流矢量的幅值不断改变，输出力矩的大小也无法保持恒定。因此，要想实现对步进电动机的恒力矩均匀细分控制，必须合理控制电动机绕组中的电流使步进电动机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。我们知道在空间上彼此相差 的 相绕组，分别通2m以相位上相差 而幅值相同的正弦电流，则合成的电流矢量（或磁场矢量，这里2m认
12、为电流矢量与磁场矢量成线性关系）便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。目前报道的步进电动机细分驱动器多采用量化的梯形波、正弦波作为细分驱动的驱动电流波形，但事实上这些电流波形在一般的步进电动机上均不能得到满意的细分精度 25。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于 DSP 控制的斩波恒流细分驱动方案及实现技术。两相混合式步进电动机简化结构图如图 3-2 所示，步进电动机的电角度为 ，09则通入的电流相位也应该为 。09图 3-2 两相四拍混合式步进电动机简化结构图当步进电动机的两相相电流按式(3-8)变化时，则合成电流矢量 （以 为参考）：ia22(3-9)2()()2jjjjjjmma
13、b miiiieeei这是一个以 为幅值， 为幅角。这样，每当 的值发生变化时，则合成的矢量转mi过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，实现了恒力矩、均匀步距角的细分驱动。利用式(3-8)可得到 细分后 A、B 两相的驱动电流大小，量化后制成表格的形式存n入 DSP。步进电动机运行时，只要从表中取出与步数 s 相对应的电流数据送入控制电路中，即可实现对步进电动机相绕组电流的控制，从而达到细分步距角的目的。3.3.2 恒流斩波细分驱动方案及其硬件电路设计为了简化电路，减小体积，本文采用了 DSP 控制细分驱动电路的方案。DSP 控制的步进电动机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开
14、关型两种。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受 DSP 输出的电压控制，电路较为简单，电流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作在放大状态，使功放管的功耗较大，发热严重，容易引起晶体管的温漂影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此该电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制（PWM）式两种。斩波式细分驱动电路不断对电机绕组中的电流进行检测，并通过反馈电阻转换为电压形式，然后和 D/A 转换器输出的控制电压进行比较，若检测出的值大于控制电压，电路将使功放管截止，反之，使功放管导通
15、，这样保证了绕组两端的电压与 D/A 转换器输出的控制电压一致。脉宽调制（PWM）式细分驱动电路是把 D/A 转换器输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。斩波恒流细分驱动方案的原理为：由 DSP 输出 EEPROM 中存储的细分电流控制信号，经 D/A 转换成模拟电压信号，再与取样信号进行比较，形成斩波控制信号，控制各功率管前级驱动电路的导通和关断，实现绕组中电流的闭环控制，从而实现步距的精确细分。系统框图如图 3-3 所示。23TMS320LF47ADP微 处 理 器 前 级
16、 驱 动 和 功 放 电 路斩 波 比 较 电 路D/A隔 离 /滤 波放 大 电 路保 护 电 路参 数输 入状 态显 示通 讯接 口 M相 序 控 制方 波 信 号 绕 组 取 样 电 流 信 号步 进 电 机iUiV图 3-3 硬件系统原理图由前面分析可知，为了克服诸多不利因素，我们选择处理速度很快、接口功能强大、片上资源丰富，非常适合用于各种监测与控制的美国德州仪器公司（TI）TMS320F240 系列 DSP(Digital Signal Processor)作为检测控制单元的处理器。TI 公司的 TMS320F240 系列 DSP 具有改进的哈佛结构，可以通过外部总线分别访问数据、
17、程序、I/O 三个独立的寻址空间，其具体的片上资源和技术特点如下：(1) 高性能的静态 CMOS 技术，4 种用于减少功耗的省电方式(2) 50ns（20MIPS）指令周期(3) 存储器片内由 544 字节的双口 RAM；16K 字节的 Flash；共 244K 字节的存储器寻址空间(64K 字节的程序空间，64K 字节的数据空间，64K 字节的 I/O 空间和 32K 字节的全局空间)；(4) 事件管理器(EV)12 个比较/脉宽调制(PWM)通道；3 个 16 位通用定时器；3 个 16 位全比较和简单比较单元；4 个捕获单元，其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力；(5) 2 个 8
18、通道 10 位模数转换器(ADC)(6) 28 个独立可编程多路复用 I/O 引脚(7) 带适时中断(RTI)的看门狗(WD)定时器模块 (8) 异步串行通讯接口 SCI(9) 同步串行外设接口 SPI24(10)基于扫描的仿真 JTAG下面就对基于 DSP 控制的步进电动机细分驱动主要电路分别加以介绍。1.控制电路DSP系统是控制电路的核心，它由TI公司的TMS320LF2407A DSP微处理器、晶振电路、地址锁存器、译码器、EPROM及EEPROM 存储器等组成。受控步进电动机的细分倍数、启停频率、运行频率、行走步数、正反转、电动机清零、以及启停信号等的控制既可由键盘进行，也可通过与上位
19、机的串行口通信通道由上位机设置。状态显示提供当前通电相、相电流大小、电动机运行时间、当前运行步数、正反转等的显示，并将工作状态和数据传送给上位机。单片机的主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D/A转换。根据转换精度的要求， D/A转换器既可以选择8位的，亦可选择12位的。本系统选用Maxim公司的8位D/A 转换器Maxim 516。Maxim 516把4个D/A 转换器与4个比较器组合在单个的CMOS IC(DIP20封装)上，4个D/A转换器共享一个参考输入电压 。每个转换器的输出电压均可采用下REFV式表示：(3-10)/256DACiREFN，对应于 8 位的 DAC
20、 的输入码 （此处为细分电流控制信号） ，0,1.256N 07D通过调节 的变化范围，便可调节步进电动机绕组中电流的幅值。REFV2功率驱动电路工作中，步进电动机细分电流控制信号的 D/A 转换值 输入到 Maxim 516 内iU部各比较器 COMPi 的同向输入端，绕组电流取样信号 输入到 COMPi 的反向输iV入端。斩波恒流驱动采用固定频率的方波与比较器输出信号调制成斩波控制信号，控制绕组的通电时间，使反馈电压 始终跟随 D/A 转换输出的控制电压 。合理iVi选择续流回路就可使绕组中的电流值在一定的平均值上下波动，且波动范围不大。调制用方波信号频率为 21.74kHz，由 DSP
21、的 PWM 端产生，且各相是同频斩波， 不会产生差拍现象，所以消除了电磁噪声。为防止因比较器漂移或干扰导致功率开关管误导通，把斩波控制信号与相序控制信号相与后去控制功放管。当开关管截止时，并联 RC、快恢复续流二极管 D、绕组 L 及主电源构成泄放回路。与单纯 R 释能电路相比，RC 释能电路使功耗和电流纹波增加较小，而电流下降速度大大加快。电流取样信号由精密电流传感放大器 MAX 471 完成。当绕组25电流流过其内部 35 精密取样电阻时，经内部电路变化，转换为输出电压信号：(3-11)(50/)outtLOADVRI其中 为 MAX 471 外部调压电阻，阻值按设计要求选定。 为流过精密
22、outR LOADI电阻的相绕组电流。MAX 471 同时具有电流检测与放大功能，从而大大方便了整个电路的设计与调试。功率开关管(功放管)是功放电路中的关键部分，影响着整个系统的功耗和体积。由于所设计的驱动器主要用来驱动额定电流 3A、额定电压 27V 以下的步进电动机，故选用高频 VMOS 功率场效应晶体管 IRF 540 ( =100V， (on)DSVDSR=0.052， =27A)作为开关管。 IRF 540 导通电阻很小。因此，即使电机长时间DI运转，该 VMOS 管壳本身的温度比较低，不须外加风扇。为了提高步进电动机的工作可靠性，消除电机电感性绕组的串扰，本系统无论从驱动部分还是反
23、馈部分都进行了隔离。驱动隔离采用高速光耦合器 6N137 为隔离元件，一方面可以实现前级控制电路同步进电动机绕组的隔离，另一方面使功率开关管的驱动变得方便可靠。反馈通道的滤波部分采用无源低通滤波器，其作用是高速衰减绕组(电感线圈)在开关时截止频率以上的瞬时高频电压信号，从而避免控制电路做出太迅速的反应，可以有效地防止步进电动机的振荡。线性光耦电路的作用是将滤波后的采样电阻反馈信号线性地传输给比较器。3恒流斩波控制环节如图 3-4 所示，本系统采用德州仪器公司的 TL494 来实现恒流斩波功能，其核心部分为脉冲宽度比较器，并具有 1 个振荡器、2 个运算放大器、1 个触发器和 1个 5V 基准电
24、压源等，其 5、6 脚外接 CT、RT 确定了振荡器产生的锯齿波频率。在实际应用中 RT 确定了振荡器产生的锯齿波频率。在实际应用中采用其中一个运算放大器作为恒流斩波的控制单元，电流给定由一个运算放大器 LM324 构成的射极跟随器给出，实现了恒流给定与 TL494 中内部运算放大器的隔离，提高了给定的抗干扰能力。调节器采用 PI 控制，电流反馈经过一阶低通滤波接至运算放大器的 1脚，增加了电流检测的抗干扰能力；4 脚为死区控制端，在该端加入-0.3V 以下的电压后可将 PWM 的最大占空比提高到 100%，减少功率管的开通和关断损耗。261 21 51 071 691 381 11 4321
25、I C 1 1R 3 6I C 1 2 : AI C 1 6 : AR 4 2R 4 8C 1 9R 4 0C 2 0P 2R 6 0R 4 3C 1 8C 1 7R 3 7R 4 7P 3R 4 14 6523231+斩波 信号V S 0- I N 1F BI N 1DTRTCTV R E FC 2C 1V C C+ I N 2E 2G N D- I N 2E 1O CV C CV C CC 4 0R 3 8图 3-4 恒流斩波控制电路本系统采用“上斩下不斩”的驱动方式实现恒流斩波功能，下面仅以一个工作节拍为例来说明调节原理，如图 3-5 所示。在 t1-t2 区间 IfIRef 时，则 V3升高，大于锯齿波电压，则 8 脚输出为高电平，则 IR2130 的驱动信号为低电平，即为无效电平，关断 MOSFET，If 下降，一直降到 t3 时刻又开始了下一斩波周期，从而实现了恒流斩波调节。 IrefI/At/sIft1t23 4图 3-5 恒流斩波工作原理4电流反馈电路设计步进电动机 A、B 相绕组电流的采样信号从功率驱动电路的 ADC00、ADC01两个采样点以电压的形式输出，由于采样电阻为 0.5/2W，所以对 2A 的绕组电流输出的电压即为 1V，因为绕组电流存在正反向，则输出电压也存在正反向。这一电压需要送到电流反馈电路进行限幅、偏置等处理。
