一種基于TMS320F2812的五相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案

黃 勇

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制執(zhí)行部件.它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制[1].步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖成正比，沒有累積誤差，具有良好的跟隨性.由于步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)異性能，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用.但步進(jìn)電機(jī)大多數(shù)情況下采用開環(huán)控制，存在低頻振蕩、分辨率不高、有丟步和過沖的現(xiàn)象，不滿足高緊密應(yīng)用的場(chǎng)合.為了提高電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性和分辨率，解決單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)中存在的一些問題[2]，針對(duì)高性能的五相混合式步進(jìn)電機(jī)，本文提出了一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，采用TI公司推出的高性能DSP處理器TMS320F2812對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制.

1 五相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，從根本上講就是對(duì)電機(jī)繞組中電流的控制，使電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分.五相步進(jìn)電機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)品之一，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，針對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)，通過改變電機(jī)內(nèi)部繞組中的電流，使合成磁場(chǎng)矢量的幅值恒定、合成磁場(chǎng)的角度變化均勻.本方案中采用的五相步進(jìn)電機(jī)為按A-B-C-D-E首尾串聯(lián)的五邊形構(gòu)成，步距角為0.72°.

圖1 TMS320F2812芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Internal structure diagram of TMS320F2812

圖2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure diagram of subdivided driving system

2 TMS320F2812芯片

TMS320F2812芯片是美國TI公司于2001年推出的功能較強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片，該芯片既具有數(shù)字信號(hào)處理能力、又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適合于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表以及電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等.在TMS320F2812芯片內(nèi)部集成了128K×16的FLASH存儲(chǔ)器，16通道的高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，以及提供良好控制功能的兩個(gè)事件管理器模塊.其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[3].

3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

方案提出的五相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要由串口通信電路單元、脈沖分配電路單元、功率驅(qū)動(dòng)電路單元、電流控制與電壓檢測(cè)電路單元等四部分構(gòu)成.基于TMS320F2812的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖2所示.

3.1 脈沖分配電路單元

方案采用PMM8714為脈沖分配器，該芯片內(nèi)部由可逆環(huán)行計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制與判斷等主要部分組成.PMM8714適用于五相步進(jìn)電機(jī)的控制，根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇六種不同的激勵(lì)方式.

3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路單元

方案通過PMM5303將脈沖分配器PMM8714輸出來的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)信號(hào).PMM5303是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)五相步進(jìn)電機(jī)的專用模組，其內(nèi)部集成有H橋的功率管，使用起來非常方便.

3.3 電流控制電路單元

該電路單元主要控制集成功率放大器PMM5303的輸出電流大小.主要是通過DSP處理器的IO口控制一片D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出端接PMM5303的第1個(gè)引腳，當(dāng)該引腳的電壓發(fā)生變化時(shí)，可使集成功率放大器PMM5303的輸出總電流在0～4 A之間變化.

3.4 DSP串口通信電路單元

該電路單元主要完成PC機(jī)向DSP處理器發(fā)送控制信號(hào).通過PC機(jī)發(fā)送的指令改變DSP處理器輸出的控制信號(hào)，以改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)行速度和細(xì)分?jǐn)?shù)，同時(shí)在上位機(jī)的程序界面顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).如果該細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)脫離PC機(jī)，則可以用鍵盤顯示電路來替代.

4 仿真分析

忽略一些次要的因素，假設(shè)輸入五相步進(jìn)電機(jī)的各相電流如公式(1)所示：

(1)

公式(1)中，k′為五相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分后運(yùn)行拍數(shù)，k為脈沖序數(shù).五相電機(jī)各相磁動(dòng)勢(shì)如公式(2)所示：

(2)

公式(2)中，F(xiàn)a是磁動(dòng)勢(shì)矢量，由于五相步進(jìn)電機(jī)五相在空間是均與分布的，其軸線間夾角是72°，由公式(1)和(2)可以推導(dǎo)出五相步進(jìn)電機(jī)五相繞組在電機(jī)氣隙中合成的磁動(dòng)勢(shì)如公式(3)所示：

(3)

通過公式(3)可以得出，若五相步進(jìn)電機(jī)五相通以連續(xù)的對(duì)稱正弦電流，合成磁動(dòng)勢(shì)將保持幅度不變、繞圓周旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)分.

按照上述思想，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析[4-5]，對(duì)于原有步距角為0.72°的五相步進(jìn)電機(jī)，把進(jìn)行了26和27量化后的電流采樣值通入到電機(jī)模型中，運(yùn)行時(shí)間分別是0.7 s和1.4 s，五相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)0.72°的電流波形以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子所在位置，分別如圖3、圖4和圖5、圖6所示.

圖3 64細(xì)分電流 圖4 對(duì)應(yīng)64細(xì)分電流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置 Fig.3 64 subdivision current Fig.4 Motor rotor position in 64 subdivision current conditions

圖5 128細(xì)分電流 圖6 對(duì)應(yīng)128細(xì)分電流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置 Fig.5 64 subdivision current Fig.6 Motor rotor position in 64 subdivision current conditions

對(duì)以上仿真結(jié)果分析可以得到：細(xì)分?jǐn)?shù)越大，則位置精度越高，輸入的電流也越接近正余弦波形； a、b、c、d、e相的電流改變一次，五相步進(jìn)電機(jī)就步進(jìn)一個(gè)細(xì)分步距角；細(xì)分步距角與細(xì)分?jǐn)?shù)成近似的線性關(guān)系.

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案中一個(gè)非常重要的組成部分，主要包括主程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤顯示程序和監(jiān)測(cè)程序4個(gè)部分.

主程序控制程序流程，主要完成程序初始化、中斷設(shè)置及相關(guān)子程序的調(diào)用[6]，其流程圖如圖7所示；細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序以仿真的結(jié)果為依據(jù)，細(xì)分電流的輸出通過查表的方式確定，其流程圖如圖8所示；鍵盤顯示程序主要包括細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇按鍵處理和電機(jī)運(yùn)行步數(shù)的顯示；監(jiān)測(cè)程序主要用來檢測(cè)電機(jī)繞組上的電壓，防止高壓燒壞電機(jī).

圖7 主程序流程圖 圖8 細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序流程圖Fig.7 Main program flow chart Fig.8 Subdivision driver program flow chart

6 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)于本方案的五相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從測(cè)試其系統(tǒng)靜態(tài)誤差入手，分析了其性能.采用的五相步進(jìn)電機(jī)為5線、靜力矩為4.2 N.m、相電流2.8 A、相電阻0.58 Ω.測(cè)試過程為：用五相步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一測(cè)試臺(tái)，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)測(cè)試臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過24面棱體和自準(zhǔn)直儀讀數(shù)，在64細(xì)分和128細(xì)分情況下的測(cè)試結(jié)果如圖9、圖10所示.通過分析可以發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的靜態(tài)誤差≤10″，沒有發(fā)生丟步現(xiàn)象；重復(fù)性較好，可以運(yùn)用到對(duì)精度要求比較高的環(huán)境中.

圖9 64細(xì)分測(cè)試結(jié)果 圖10 128細(xì)分測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results in 64 subdivision current conditions Fig.10 Test results in 64 subdivision current conditions

7 結(jié)語

采用TI公司的DSP處理器TMS320F2812實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)的64和128細(xì)分，使步進(jìn)電機(jī)的步距角達(dá)到了20″，解決了步距角大的問題，提高了整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)性、降低了電機(jī)的運(yùn)行噪聲，進(jìn)一步擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍.該方案具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值.

[1] 王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及建議[J].微電機(jī),2004,37(4):47-49.

[2] 刁紅泉，胡偉雄，顏鋼鋒.基于單片機(jī)的改進(jìn)型五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2004,11(1):19-22.

[3] 姚曉通，王紫婷.DSP技術(shù)實(shí)踐教程：TMS320F2812設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國鐵道出版社，2009：41-76.

[4] 趙紀(jì)倩,賈要勤.基于Matlab/Simulink的DSP控制代碼開發(fā)技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2010，44(12):59-61.

[5] 朱文渝，姚婭川.基于Matlab的異步電動(dòng)機(jī)間接矢量控制系統(tǒng)研究[J].磁性材料及器件,2010,41(5):57-69.

[6] 郭建廣,賈進(jìn)瀅,黃建剛,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，28(3)：353-356.