0 引言

　　步進(jìn)電機(jī)是將數(shù)字信息直接轉(zhuǎn)換為角位移的控制元件，因其控制簡便、起停迅速以及步進(jìn)精確等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等自動(dòng)化控制領(lǐng)域。尤其在數(shù)控設(shè)備的刀具快速定位系統(tǒng)中，因?qū)ξ恢煤退俣瓤刂朴兄^高要求，以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主處理芯片在系統(tǒng)穩(wěn)定性以及處理速度上制約著系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上采用東芝公司的THB664H專用驅(qū)動(dòng)芯片，極大地簡化了外圍硬件電路，使得控制器和驅(qū)動(dòng)器一體化設(shè)計(jì)更為簡便。本文詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要硬件電路和軟件設(shè)計(jì)過程。

1 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1 DSP簡介

　　DSP即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種專門用來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)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(nèi)集成了豐富的外設(shè)模塊，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；快速的中斷處理能力和硬件I/O支持，保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力；片內(nèi)具有快速RAM同時(shí)采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以通過獨(dú)立的總線對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行并行訪問而且可同時(shí)完成獲取指令和數(shù)據(jù)讀取操作。與常用的16位單片機(jī)相比，DSP可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)算法處理，在實(shí)時(shí)性和靈活性上以及高速的數(shù)據(jù)處理能力上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本身也屬于數(shù)字器件，且位置和速度等組成的閉環(huán)反饋都可以通過廣電編碼器等傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，因此在步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)中選用DSP作為處理器。TMS320F2812通過串口接收上位機(jī)的位置指令，并通過接收與步進(jìn)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的光電編碼器發(fā)出的位置反饋脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)，DSP根據(jù)所計(jì)算出的差值信息，發(fā)送位置脈沖和方向脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。并通過液晶實(shí)時(shí)顯示出電機(jī)位置及速度等信息，通過整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備中刀具的快速精確跟蹤定位。文中DSP控制系統(tǒng)通過控制兩個(gè)56BYG250C兩相步進(jìn)電機(jī)從而控制刀具在X、Y方向位移，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由DSP控制單元、電源模塊、串口通信電路、反饋檢測(cè)單元、功率驅(qū)動(dòng)模塊、復(fù)位電路等組成。以下詳細(xì)介紹了串口通信電路以及功率驅(qū)動(dòng)電路等控制電路的設(shè)計(jì)過程。

　　2.1 串口通信電路設(shè)計(jì)

　　串口通信模塊的SCI接口采用發(fā)送和接收雙線異步通信接口。系統(tǒng)DSP控制單元需要通過與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)的高低電平為±12 V，DSP的高低電平為0～3.3 V，故而需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用了常見的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，其輸出的電平經(jīng)過分壓電阻進(jìn)一步的壓降產(chǎn)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　THB664H是一款專業(yè)的PWM斬波兩相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。內(nèi)部高度集成了衰減模式設(shè)置、細(xì)分、CMOS功率放大等電路。配以簡單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路。通過4位8檔細(xì)分控制(1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64)，內(nèi)置過熱欠壓保護(hù)和電流檢測(cè)。功率驅(qū)動(dòng)部分電路圖見圖3。

　　為提高控制系統(tǒng)的可靠性，避免因負(fù)載變化而產(chǎn)生過電流損壞控制芯片及驅(qū)動(dòng)芯片，故采用了HCPL2530高速光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離，不僅完成了控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)了各器件間的有效隔離，同時(shí)也對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整形，提高了系統(tǒng)的整體控制精度。硬件電路設(shè)計(jì)中光耦隔離模塊兩側(cè)電路電源必須分別采用獨(dú)立的供電電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 步進(jìn)電機(jī)的位置檢測(cè)

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收一個(gè)脈沖信號(hào)就按預(yù)定方向驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度。DSP2812中事件管理模塊的定時(shí)器和比較單元可用來產(chǎn)生兩路電機(jī)所需的位置信號(hào)脈沖。

　　當(dāng)DSP事件管理器EV的捕獲單元QEP模塊被使能，與步進(jìn)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的光電編碼器產(chǎn)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(jì)數(shù)寄存器的時(shí)鐘源，從而獲得光電編碼器反饋的脈沖個(gè)數(shù)。事件管理器的計(jì)數(shù)器寄存器會(huì)在正交脈沖的每個(gè)跳變沿按照脈沖捕獲的先后順序進(jìn)行定向的計(jì)數(shù)增減，進(jìn)而確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)過角度。電機(jī)相對(duì)于初始位置的角度為：

　　n為計(jì)數(shù)寄存器的當(dāng)前值，n1為計(jì)數(shù)寄存器的初始值，L為光電編碼器線數(shù)。

　　3.2 控制系統(tǒng)主程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)開始運(yùn)行后首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，然后對(duì)初始位置和預(yù)定位置進(jìn)行差值比較，根據(jù)位置差值判斷步進(jìn)電機(jī)下一時(shí)刻轉(zhuǎn)向，并通過改變I/O 口電平的高低控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的脈沖n計(jì)算公式為：

　　式中，為初始位置與預(yù)定的差值，r為步進(jìn)電機(jī)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(jìn)而調(diào)整PWM波的頻率和寬度，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)連續(xù)平穩(wěn)的發(fā)送。主程序流程圖如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)中的一些問題

　　4.1 A/D采樣中的濾波

　　系統(tǒng)對(duì)電流控制的準(zhǔn)確性和精度決定了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，對(duì)電流的閉環(huán)控制需要進(jìn)行A/D采樣來完成，但是控制系統(tǒng)在實(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)中也需要采用滑動(dòng)平均值濾波方式等相應(yīng)的濾波措施來進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能。

　　4.2 運(yùn)算中溢出問題的解決以及計(jì)算精度的提高

　　在程序計(jì)算過程中需要考慮運(yùn)算溢出的問題。在計(jì)算電機(jī)角位移θ時(shí)，程序給直角進(jìn)行格式標(biāo)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?；谟?jì)算精度的考慮，在程序中采用了32位乘法和加法運(yùn)算。采用DSP2812中的16×16的硬件乘法器，需要用兩個(gè)16位數(shù)來保存其乘法計(jì)算的結(jié)果，加法運(yùn)算中為了和乘法運(yùn)算結(jié)果匹配也需要用32位，計(jì)算結(jié)束后將從32位計(jì)算結(jié)果中選取合適的16位作為輸出。

5 結(jié)論

　　在分析了步進(jìn)電機(jī)工作原理和主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以TMS320F2812作為主控芯片的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件電路和運(yùn)行軟件，實(shí)現(xiàn)了控制與驅(qū)動(dòng)的一體化，相比較開環(huán)控制系統(tǒng)中的失步現(xiàn)象得以有效控制；光電編碼器的檢測(cè)反饋電路以及SCI串口通信電路等實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置的精確閉環(huán)控制。結(jié)果表明，所建立的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)有效提高了刀具定位精度，滿足快速響應(yīng)要求。

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