基于DSP的四相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨威望+岳改麗

摘 要：本系統(tǒng)擬采用DSP控制四相步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)。首先，系統(tǒng)主要控制器為TMS320F28335，采用DSP輸出PWM脈沖波經(jīng)過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路來對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；其次，通過電流采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換器和過電流保護(hù)電路控制步進(jìn)電機(jī)，從而增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力；最后，無線控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)DSP 在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：TMS320F28335；PWM；步進(jìn)電機(jī)；無線模塊

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The design of this system is to use DSP to control the four phase stepper motor.First，The main controller of the system is TMS320F28335，using DSP output PWM pulse passes the pulse distribution circuit， photoelectric isolation circuit and power amplifier circuit to drive the stepper motor；second，The step motor is controlled by the current sampling circuit，the A/D converter and the over current protection circuit to enhance the stability of the stepping motor，the reliability and the anti-interference ability of the system；finally，the wireless controlling module control step motor running state.It provides a reference for the further application of DSP in the control system of stepping motor.

Key words： TMS320F28335； PWM； Stepper motor； Wireless module

1引言

步進(jìn)電機(jī)的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)[1]。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的[2]。近年來，研究人員提出基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3-6]，這種控制相比DSP控制來說

精度較低；基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

的研究[7-12]，使得步進(jìn)電機(jī)達(dá)到細(xì)分控制的效果；但是目前四相步進(jìn)電機(jī)的控制裝置還

存在一些不足：首先，步進(jìn)電機(jī)的控制策略

單一，調(diào)節(jié)范圍較小，控制精度低，穩(wěn)定性

不夠，而且步進(jìn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和空間的限制，步進(jìn)分辨率低、缺乏靈活性，難以滿足高精度開環(huán)控制的要求；其次，目前步進(jìn)電機(jī)主要是通過按鍵輸入來控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)等，而且在一些環(huán)境比較惡劣或?qū)ι眢w有傷害的地方，人們無法接近步進(jìn)電機(jī)控制器部位，難以實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行；最后，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中，電機(jī)繞組可能發(fā)生過流，此時(shí)若沒有相關(guān)人員及時(shí)處理可能引發(fā)

事故，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)靠熔斷器等傳統(tǒng)手段來保證步進(jìn)電機(jī)安全，但其成本高，沒有得到廣泛應(yīng)用。

因此，本文基于以上問題提出基于TMS320F28335的四相步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，使步進(jìn)電機(jī)操作更加簡便，運(yùn)行更加安全可靠。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F28335，通過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路對(duì)輸出的PWM進(jìn)行處理來控制步進(jìn)電機(jī)，無線控制模塊PTR2000[13-14]工作頻率為國際通用的數(shù)據(jù)傳輸頻率段433 MHz，采用抗干擾能力較強(qiáng)的頻移鍵控制，擴(kuò)展能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擬選用的主控制器為TMS320F28335，其具有150MHz的高速處理能力，12位16通道ADC，具備32位浮點(diǎn)處理單元，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM）[15]。電機(jī)控制電路包括脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路、電流采樣電路和A/D轉(zhuǎn)換器組成的反饋電路。

3.1 脈沖分配電路和光電隔離電路

在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過程中，脈沖分配電路采用SN74LS194主控芯片，控制輸出PWM脈沖通過脈沖分配器控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組按照一定順序接通、斷電，使步進(jìn)電機(jī)繞組的通電按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化；光電隔離利用LED與光電探測設(shè)備實(shí)現(xiàn)隔離阻障，通過光來傳輸信號(hào)。光電探測設(shè)備接受LED發(fā)出的光信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。如圖2所示。

3.2 功率放大電路

步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移。如圖3所示。

3.3 電流采樣電路

電流采樣電路采集到輸出電流信號(hào)時(shí)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸給DSP與設(shè)定電流信號(hào)作對(duì)比，然后調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。如圖4所示。

3.4 過電流保護(hù)電路

過流保護(hù)電路的輸入端與電流采樣電路的輸出端相接，當(dāng)采樣電流輸出的電流偏大時(shí)，過電流保護(hù)電路立刻把此信號(hào)傳輸給DSP，從而確保步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行安全可靠。如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要包括步進(jìn)電機(jī)控制程序、過電流保護(hù)中斷程序和PWM信號(hào)產(chǎn)生程序組成。

4.1 步進(jìn)電機(jī)的控制

當(dāng)上位機(jī)通電后，通過與先設(shè)置的A值進(jìn)行比較，判斷出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)并輸出此時(shí)電機(jī)正反轉(zhuǎn)電流信號(hào)，把此信號(hào)與ADC電流實(shí)際信號(hào)做差值，調(diào)用PWM子程序產(chǎn)生PWM信號(hào)，最后結(jié)合輸出的DSP電機(jī)正反轉(zhuǎn)的信號(hào)一起送到電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。主程序如圖6所示。

4.2 PWM脈沖序列的產(chǎn)生

PWM是利用DSP的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。這個(gè)子程序在DSP事件管理器EAV中完成，初始化程序采用的計(jì)數(shù)模式為遞增計(jì)數(shù)模式。如圖7所示。

4.3 過電流保護(hù)的設(shè)計(jì)

當(dāng)四相步進(jìn)電機(jī)電流過高時(shí)，DSP芯片的引腳將會(huì)接收到一個(gè)低電平信號(hào)，這一信號(hào)將觸發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生保護(hù)中斷。如圖8所示。

5 結(jié) 論

本文通過采用TMS320F28335控制四相步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.通過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性和精度得到提高，電路簡單，便于應(yīng)用；2.設(shè)置電流采樣電路實(shí)時(shí)檢測步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流并將采集到的電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)過流保護(hù)電路進(jìn)行比較，當(dāng)電流采

樣電路采集的電流較大時(shí)，過流保護(hù)電路輸出高電平，控制器TMS320F28335控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，可靠穩(wěn)定；3.通過無線控制模塊可遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度的控制，避免了手動(dòng)操作或外部設(shè)置不方便，提高了步進(jìn)電機(jī)控制的便捷性。

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西安科技大學(xué)

作者簡介：

黨威望（1988.12—），男，陜西省渭南市人，西安科技大學(xué)，碩士。研究方向：電機(jī)與電器。

岳改麗（1967.5—），女，陜西省興平市人，西安科技大學(xué)，副教授。研究方向：電力電子及電力傳動(dòng)、現(xiàn)代電源技術(shù)、電路與系統(tǒng)。

作者詳細(xì)通訊地址：

地址：陜西省西安市碑林區(qū)雁塔中路58號(hào)西安科技大學(xué)研究生院 電氣與控制工程學(xué)院 黨威望

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