《電子技術(shù)應(yīng)用》
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步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
馬文斌,楊延竹,洪 運(yùn)
(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海201620)
摘要: 基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制方式,同時(shí)以光電編碼器反饋檢測(cè)信號(hào)以及專用大功率驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H的應(yīng)用不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)外圍硬件電路結(jié)構(gòu),而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,并根據(jù)工程實(shí)際中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并且提出了具體解決措施。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件方案設(shè)計(jì)及部分外圍電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)位移的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床中刀具進(jìn)給的快速跟蹤定位,對(duì)DSP在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用提供了借鑒。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 基于DSP步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制方式,同時(shí)以光電編碼器反饋檢測(cè)信號(hào)以及專用大功率驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H的應(yīng)用不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)外圍硬件電路結(jié)構(gòu),而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,并根據(jù)工程實(shí)際中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并且提出了具體解決措施。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件方案設(shè)計(jì)及部分外圍電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)位移的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床中刀具進(jìn)給的快速跟蹤定位,對(duì)DSP在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用提供了借鑒。

  關(guān)鍵字: 步進(jìn)電機(jī);閉環(huán);反饋;DSP

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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)程。

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

  1.1 DSP簡(jiǎn)介

  DSP即數(shù)字信號(hào)處理器,是一種專門用來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(guò)廣電編碼器等傳感器來(lái)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(guò)串口接收上位機(jī)的位置指令,并通過(guò)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(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示出電機(jī)位置及速度等信息,通過(guò)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(guò)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。

001.jpg

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(guò)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(guò)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(guò)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。

002.jpg

  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(jiǎn)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(guò)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(guò)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。

003.jpg

  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(guò)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(lái)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(guò)角度。電機(jī)相對(duì)于初始位置的角度為:

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  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(guò)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(guò)程中的脈沖n計(jì)算公式為:

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  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(guò)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。

004.jpg

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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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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