摘 要： 討論了步進電機的細分驅(qū)動原理以及數(shù)字PI控制策略。介紹了一種基于數(shù)字信號處理器（DSP）的兩相混合式步進電機細分驅(qū)動器的軟硬件結(jié)構(gòu)，并給出了實際運行的電機相電流波形。通過采用電壓補償、電流負反饋以及數(shù)字PI調(diào)節(jié)，對步進電機相電流進行“階梯化”正弦波控制，使步進電機相電流接近正弦波，改善了步進電機的運行工況。
關(guān)鍵詞： 步進電機；細分驅(qū)動；DSP；PI控制
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，在工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛。步進電機的角位移量與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，從而沒有位置累積誤差，易于進行精確的位置和速度控制；步進電機與驅(qū)動控制器可組成開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單又可靠，可大大減少系統(tǒng)的成本。但是由于步進電機分辨率不高、低頻振動、噪聲大等問題，使得步進電機的應(yīng)用局限于一些振動、噪音以及分辨率要求不高的場合，因而出現(xiàn)了許多旨在提高步進電機驅(qū)動性能的措施，采用細分技術(shù)無疑是最常用、最簡便的方法。細分技術(shù)可使得在不改變步進電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下減小步矩角，這大大減弱或消除了步進電機的低頻振動和噪音，提高了步進電機的運轉(zhuǎn)精度[1]。
電機專用DSP的出現(xiàn)，為電機控制提供了強有力的工具。TMS320LF2407A是TI公司推出的專為數(shù)字電機控制應(yīng)用而設(shè)計的DSP器件，該器件集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊、事件管理器等電機控制系統(tǒng)所必需的外圍器件，其CPU具有16位定點DSP內(nèi)核，指令系統(tǒng)豐富靈活，運算速度40 MHz，利用其高速運算能力可以實時完成各種復雜控制算法。
本文主要討論了步進電機的細分原理和數(shù)字PI控制策略，同時給出了基于DSP的兩相混合式步進電機細分驅(qū)動器的軟硬件設(shè)計和相應(yīng)的運行結(jié)果。
1 原理與設(shè)計
步進電機的細分控制是通過精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)，即步進電機每運行一步時，其繞組電流不是全部通入或者切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則步進電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步矩角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運行也只有步矩角的一部分。細分驅(qū)動就是將步進電機相電流從零電流值到最大電流值之間分成了多個穩(wěn)定的電流狀態(tài)。
以兩相混合式步進電機為例，這里采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)細分驅(qū)動，電機A、B相繞組通過的電流iA、iB可描述如下：
式中，I為電流幅值，φ準為電機軸預置位置的電角度。
1.2 細分驅(qū)動器軟硬件實現(xiàn)
基于DSP的兩相混合式步進電機細分驅(qū)動的控制結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。步進電機的電流細分控制由DSP軟件來完成，主要采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)，同時對輸入電壓進行補償。對電壓的補償，可使得細分驅(qū)動器在寬電壓范圍內(nèi)均能正常工作。現(xiàn)分別介紹其硬件電路組成以及軟件結(jié)構(gòu)。
1.3 硬件電路
本細分驅(qū)動器硬件主要由DSP、功率場效應(yīng)管H橋逆變器、功率場效應(yīng)管的驅(qū)動電路以及電機相電流檢測電路等構(gòu)成。
驅(qū)動主回路如圖3所示，每相采用H橋驅(qū)動，由兩相組成，每相使用4個功率場效應(yīng)管。以A相為例，當需通以正向電流時，則開通Q1、Q3，當要通以反向電流時，則開通Q2、Q4。電阻R1是采樣電阻，用來檢測電機相電流的大小。同時對主回路設(shè)有過流、過壓的硬件保護，保證了系統(tǒng)的安全運行。
采用TMS320LF2407A作為控制核心實現(xiàn)了DSP的單片解決方案，圖4表示了DSP的主要實現(xiàn)方式。TMS320LF2407A片內(nèi)帶有高性能的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，包含內(nèi)部采樣保持電路，將檢測到的相電流信號、輸入電壓信號進行濾波處理，然后接入DSP的A/D 轉(zhuǎn)換通道。TMS320LF2407A有兩個事件管理器模塊，每個事件管理器模塊提供帶有可編程死區(qū)的PWM通道，每個通道都有單獨的比較寄存器，通過對其寫入就可以改變PWM的占空比，從而控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號經(jīng)功率場效應(yīng)管構(gòu)成的H橋逆變器驅(qū)動步進電機。事件管理器模塊A的PWM1、PWM3、PWM5、T1PWM控制A相電機繞組，事件管理器模塊B的PWM7、PWM9、PWM11、T3PWM控制B相電機繞組。TCLKINA、TDIRA管腳分別接步進脈沖信號、方向信號。/PDPINTA、/PDPINTB為低電平時可分別禁止事件管理器模塊A、事件管理器模塊B的PWM信號，由圖4所示方式實現(xiàn)了主回路過流的硬件保護，基準電壓值代表了過流保護的門限電流值大小。脫機信號、細分數(shù)設(shè)定、電流值設(shè)定等外部信號均接至DSP的I/O管腳。
1.4 軟件結(jié)構(gòu)
DSP軟件采用C語言編程，主要由主程序和中斷程序構(gòu)成，如圖5所示。
主程序主要完成如下功能：DSP系統(tǒng)資源的初始化；電流值設(shè)定掃描以及電流設(shè)定值為幅值的正弦波表的建立；細分數(shù)設(shè)定和脫機信號的掃描；負責中斷程序調(diào)用等。在DSP系統(tǒng)資源初始化里，定時器T1、T3用于產(chǎn)生PWM周期，分別作用于A、B相的H橋電路，同時當T1下溢時啟動DSP的A/D轉(zhuǎn)換。定時器T2用于計外部給的脈沖信號數(shù)，即步進電機前進的步數(shù)。A/D中斷的設(shè)置使每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生中斷。正弦波電流表的建立，使得在A/D中斷程序中每次調(diào)用電流給定值時節(jié)省了計算所需的時間。
A/D中斷程序主要是計算要達到給定電流值時PWM實際的占空比。在A/D中斷程序中，首先讀取相電流、輸入電壓的大小，同時也讀取T2計數(shù)器的值，該值表示了步進電機需前進的步數(shù)，然后根據(jù)所采樣的電流、電壓值對電流進行數(shù)字PI控制、電壓補償，計算出下一個載波周期的占空比，并將計算結(jié)果寫入寄存器，當下一個周期脈沖到達時，系統(tǒng)將自動地使用寄存器的結(jié)果來控制脈寬調(diào)制器，這樣不斷重復,實現(xiàn)了對步進電機的實時控制。
2 實驗
上述細分驅(qū)動控制技術(shù)已成功用于兩相混合式步進電機的細分驅(qū)動，負載電流在3 A～6 A可調(diào)，供電電壓在12 V～75 V范圍內(nèi)均可正常工作，細分數(shù)高達256，并提供細分在線切換功能。圖6是步進電機64細分運行時的繞組電流波形。
采用DSP控制能實現(xiàn)步進電機步矩角細分，并且硬件電路具有通用性，能夠滿足不同細分的要求。PI調(diào)節(jié)器能夠方便地對電機相電流進行控制，受系統(tǒng)參數(shù)影響較小，有較好的快速響應(yīng)。通過在H橋臂中串接采樣電阻，并結(jié)合軟件的方法來實現(xiàn)，可實現(xiàn)低成本的電機相電流檢測。采用TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，所組成的步進電機驅(qū)動器只需很少的外部器件，其性能高、成本較低，有很好的應(yīng)用價值。
參考文獻
[1] 劉寶廷.步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.
[2] 張文超，雷瑛，吳勤勤.步進電機PWM恒轉(zhuǎn)矩細分驅(qū)動技術(shù)研究[J].機械制造，2003，41（6）：1-2.
[3] 張東亮，常宏敏，田新誠，等.無刷直流伺服電機的DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)研究[J].山東大學學報(工學版)，2002,32(5)：3.