基于TMS320F2806的混合式步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)

陳志錦，孫洪兵，吳 航

(1.中國(guó)兵器工業(yè)第58 研究所 數(shù)控事業(yè)部，四川 綿陽(yáng) 621000;2.云南昆明船舶電子設(shè)備有限公司，昆明 650236)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別，具有其他電動(dòng)機(jī)所沒(méi)有的特性。因此，它仍然能根據(jù)市場(chǎng)的需求，沿著小型、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。但是隨著工業(yè)要求的提高，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、寬運(yùn)行范圍等方面提出了更高要求。由于步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行固有的缺點(diǎn)，閉環(huán)矢量控制是提高其控制性能的根本途徑。矢量控制是現(xiàn)代電機(jī)高性能控制的理論基礎(chǔ)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的高效控制。在此從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，采用閉環(huán)矢量控制方法，設(shè)計(jì)了一種以TMS320F2806 芯片作為核心控制單元，結(jié)合電流、轉(zhuǎn)速反饋電路的步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

因?yàn)榛旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)具有凸極型永磁同步電機(jī)特性，故本控制系統(tǒng)采用常用的矢量控制策略對(duì)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行控制，如圖1 所示。圖中的坐標(biāo)變換模塊和SVPWM 利用來(lái)自編碼器的位置信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)電壓電流解耦，使步進(jìn)電機(jī)的控制如同直流電機(jī)一樣。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有凸極特性，所以電流環(huán)的控制適用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)混合式步進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程如式(1)所示控制d軸、q 軸電流，實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方式。

系統(tǒng)采用類(lèi)似交流永磁同步電機(jī)的三環(huán)控制:其中速度環(huán)、電流環(huán)調(diào)節(jié)器都采用經(jīng)典PI 控制器，位置環(huán)采用P 調(diào)節(jié)器。速度控制器的輸出作為電流環(huán)的給定，確定了給定電流is后，由式(2)、(3)可以得到直、交軸電流的給定值id、iq。

經(jīng)過(guò)電流控制器輸出后直、交軸電流按照式(4)、(5)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系變換，此時(shí)輸出的電流a、b 相需要輸入的電流。

通過(guò)對(duì)兩相電壓的SVPWM 控制最后輸出脈沖寬度不同的電壓Ua、Ub到電機(jī)繞組。兩相繞組的反饋電流ia、ib按照式(6)、(7)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到直、交軸反饋電流id、iq，從而構(gòu)成了電流閉環(huán)。

2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

如圖2 所示，系統(tǒng)采用TMS320F2806 為主控芯片。主要包括DSP 處理器電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和電流/速度采樣電路。

圖2 硬件組成框圖

DSP 處理器電路是系統(tǒng)的核心，用來(lái)完成系統(tǒng)所需要的所有計(jì)算，包括數(shù)字PID 程序、與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換程序、矢量控制算法程序及PWM 信號(hào)產(chǎn)生程序等。

功率驅(qū)動(dòng)電路主要包含兩部分:驅(qū)動(dòng)電路和功率主電路。驅(qū)動(dòng)電路是將DSP 產(chǎn)生的PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)化為足以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的信號(hào)。功率主電路就是一個(gè)逆變電路，將外部提供的直流電變換為驅(qū)動(dòng)混合式步進(jìn)電機(jī)的交流電。

電流/速度采樣電路包含電流采樣電路和速度采樣電路。采樣電路作用是將電機(jī)繞組中的電流和電機(jī)速度反饋到控制器作為控制算法的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由3 部分組成，即初始化程序、主程序、中斷服務(wù)子程序。初始化程序主要完成系統(tǒng)寄存器設(shè)置，變量初始化的工作。主程序主要完成人機(jī)交互、系統(tǒng)自檢以及與上位控制系統(tǒng)的信息交互等功能。定時(shí)器中斷服務(wù)子程序是電機(jī)控制的核心程序，完成反饋量的采樣、電流環(huán)的控制、矢量控制算法、SVPWM 算法，程序流程圖如圖3 所示。

圖3 中斷程序流程

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)電機(jī)為寶龍公司的24HS1421 -21B2兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。圖4 為采用閉環(huán)控制電機(jī)空載速度響應(yīng)曲線，速度給定為1 000 r/min，升速時(shí)間小于30 ms。與圖5 中開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的曲線對(duì)比，速度響應(yīng)快。

圖4 閉環(huán)系統(tǒng)空載速度響應(yīng)曲線( 速度給定1 000 r/min)

圖5 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)空載速度響應(yīng)曲線( 速度給定1 000 r/min)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)方案，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)顯示出，系統(tǒng)控制性能優(yōu)于采用開(kāi)環(huán)細(xì)分控制的步進(jìn)系統(tǒng)，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)起停、正反轉(zhuǎn)和無(wú)極調(diào)速等功能，可廣泛應(yīng)用于目前流行的各種縫制機(jī)械和高精度數(shù)控機(jī)床等。

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