0 引言

　　步進電機是將數字信息直接轉換為角位移的控制元件，因其控制簡便、起停迅速以及步進精確等特點，被廣泛應用于數控機床、機器人等自動化控制領域。尤其在數控設備的刀具快速定位系統中，因對位置和速度控制有著較高要求，以單片機作為控制系統的主處理芯片在系統穩定性以及處理速度上制約著系統實時性和快速性。通過采用DSP（Digital Signal Processor）芯片作為作為主控制芯片的步進電機閉環控制系統，在功率驅動電路設計上采用東芝公司的THB664H專用驅動芯片，極大地簡化了外圍硬件電路，使得控制器和驅動器一體化設計更為簡便。本文詳細介紹了步進電機閉環控制系統的主要硬件電路和軟件設計過程。

1 步進電機的控制系統結構

　　1.1 DSP簡介

　　DSP即數字信號處理器，是一種專門用來實現各種數字信號處理算法的微處理器。文中選用TI公司的TMS320F2812作為主控制芯片，片內集成了豐富的外設模塊，簡化了系統的硬件設計；快速的中斷處理能力和硬件I/O支持，保證了系統實時響應的能力；片內具有快速RAM同時采用改進的哈佛總線結構，可以通過獨立的總線對多個存儲器進行并行訪問而且可同時完成獲取指令和數據讀取操作。與常用的16位單片機相比，DSP可用于復雜的數字信號算法處理，在實時性和靈活性上以及高速的數據處理能力上有著明顯的優勢。

　　1.2 系統總體方案設計

　　因為步進電機驅動器本身也屬于數字器件，且位置和速度等組成的閉環反饋都可以通過廣電編碼器等傳感器來實現數字化，因此在步進電機閉環控制系統中選用DSP作為處理器。TMS320F2812通過串口接收上位機的位置指令，并通過接收與步進電機同軸轉動的光電編碼器發出的位置反饋脈沖信號作為中斷信號，DSP根據所計算出的差值信息，發送位置脈沖和方向脈沖信號給驅動器，由驅動器驅動步進電機工作。并通過液晶實時顯示出電機位置及速度等信息，通過整個系統的閉環控制從而實現數控設備中刀具的快速精確跟蹤定位。文中DSP控制系統通過控制兩個56BYG250C兩相步進電機從而控制刀具在X、Y方向位移，系統的總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

　　步進電機控制系統主要由DSP控制單元、電源模塊、串口通信電路、反饋檢測單元、功率驅動模塊、復位電路等組成。以下詳細介紹了串口通信電路以及功率驅動電路等控制電路的設計過程。

　　2.1 串口通信電路設計

　　串口通信模塊的SCI接口采用發送和接收雙線異步通信接口。系統DSP控制單元需要通過與上位機通信進行數據交換，上位機的高低電平為±12 V，DSP的高低電平為0～3.3 V，故而需要進行電平轉換。系統采用了常見的MAX232電平轉換芯片，其輸出的電平經過分壓電阻進一步的壓降產生3.3 V電壓后與DSP管腳直接連接。串口通信模塊電路如圖2所示。

　　2.2 功率驅動電路設計

　　THB664H是一款專業的PWM斬波兩相步進電機專用驅動芯片。內部高度集成了衰減模式設置、細分、CMOS功率放大等電路。配以簡單的外圍電路就可以實現高性能、多細分、大電流的驅動電路。通過4位8檔細分控制(1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64)，內置過熱欠壓保護和電流檢測。功率驅動部分電路圖見圖3。

　　為提高控制系統的可靠性，避免因負載變化而產生過電流損壞控制芯片及驅動芯片，故采用了HCPL2530高速光電耦合器進行信號隔離，不僅完成了控制信號的電平轉換和實現了各器件間的有效隔離，同時也對控制信號進行整形，提高了系統的整體控制精度。硬件電路設計中光耦隔離模塊兩側電路電源必須分別采用獨立的供電電源。

3 軟件設計

　　3.1 步進電機的位置檢測

　　步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載情況下，步進電機驅動器接收一個脈沖信號就按預定方向驅動步進電機轉動一個固定角度。DSP2812中事件管理模塊的定時器和比較單元可用來產生兩路電機所需的位置信號脈沖。

　　當DSP事件管理器EV的捕獲單元QEP模塊被使能，與步進電機同軸轉動的光電編碼器產生的相差四分之一周期的正交脈沖序列被作為事件管理器中計數寄存器的時鐘源，從而獲得光電編碼器反饋的脈沖個數。事件管理器的計數器寄存器會在正交脈沖的每個跳變沿按照脈沖捕獲的先后順序進行定向的計數增減，進而確定步進電機的轉向和電機轉過角度。電機相對于初始位置的角度為：

　　n為計數寄存器的當前值，n1為計數寄存器的初始值，L為光電編碼器線數。

　　3.2 控制系統主程序系統設計

　　系統開始運行后首先要進行初始化設置，然后對初始位置和預定位置進行差值比較，根據位置差值判斷步進電機下一時刻轉向，并通過改變I/O 口電平的高低控制電機轉向。電機運轉過程中的脈沖n計算公式為：

　　式中，為初始位置與預定的差值，r為步進電機的步距角。

　　DSP控制器通過改變事件管理器中周期寄存器和比較寄存器的值，進而調整PWM波的頻率和寬度，實現脈沖信號連續平穩的發送。主程序流程圖如圖4所示。

4 軟件設計中的一些問題

　　4.1 A/D采樣中的濾波

　　系統對電流控制的準確性和精度決定了步進電機的運行性能，對電流的閉環控制需要進行A/D采樣來完成，但是控制系統在實際工作中的干擾是不可避免的，因此在電流的A/D采樣電路中必須要采用相應的濾波措施來減小干擾。例如在電流的硬件部分采用二階低通濾波，在軟件設計中也需要采用滑動平均值濾波方式等相應的濾波措施來進一步提高控制系統的性能。

　　4.2 運算中溢出問題的解決以及計算精度的提高

　　在程序計算過程中需要考慮運算溢出的問題。在計算電機角位移θ時，程序給直角進行格式標定，在捕獲單元中斷子程序中，每一次步距角累加后都需要將角位移θ的值和7FFFH相與以避免溢出。基于計算精度的考慮，在程序中采用了32位乘法和加法運算。采用DSP2812中的16×16的硬件乘法器，需要用兩個16位數來保存其乘法計算的結果，加法運算中為了和乘法運算結果匹配也需要用32位，計算結束后將從32位計算結果中選取合適的16位作為輸出。

5 結論

　　在分析了步進電機工作原理和主要特點的基礎上，設計了以TMS320F2812作為主控芯片的步進電機閉環控制系統的硬件電路和運行軟件，實現了控制與驅動的一體化，相比較開環控制系統中的失步現象得以有效控制；光電編碼器的檢測反饋電路以及SCI串口通信電路等實現了對步進電機位置的精確閉環控制。結果表明，所建立的步進電機閉環控制系統有效提高了刀具定位精度，滿足快速響應要求。

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