摘要：本文介紹了步進電機恒力矩均勻細分驅動的原理。設計了以TMS320LF2407 DSP為控制器的步進電機恒轉矩PWM細分驅動系統(tǒng)，分別設計了步進電機的驅動電路和電流反饋電路，并且通過軟件實現(xiàn)了PWM細分。該系統(tǒng)以TMS320LF2407 DSP為控制器，不僅有利于簡化電路和節(jié)約成本，而且能提高細分精度和電機運行平穩(wěn)性。
關鍵詞： 數(shù)字信號處理； 步進電機； 脈沖寬度調制； 細分驅動
Study on Stepping Motor Constant Torque PWM Mini-step Drives Based on TMS320LF2407 DSP
JIANG Xiao-bo1        WANG Xu-guang2
（1.Shandong Institute of Light Industry  Jinan,Shandong  250353； 2.Shandong JiaoTong University Jinan,Shandong  250023）
Abstract: This paper introduce the principle of Stepping Motor Constant Torque  Mini-step Drives. TMS320LF2407 DSP is designed for Stepping Motor Constant Torque PWM Mini-step Drives as a controller. stepper motor drive circuit and current feedback circuit Were designed respectively,and achieved PWM Mini-step through software . TMS320LF2407 DSP as a controller in this system, it can improve the precision and stability of the movement of stepping motor，with the simple driving circuit.
Key words：DSP; Stepping Motor; PWM; Mini-step Drives

1 引言
      步進電機是一種精確地數(shù)字控制執(zhí)行機構，在各種精密加工，操作行業(yè)有著廣泛的應用，隨著工業(yè)應用的不斷深入和相關技術的發(fā)展，人們對步進電機應用系統(tǒng)提出了越來越高的要求。步進電機由于其工作特性——受輸入PWM信號的控制一步一步運行，所以步進電機在開環(huán)運行時存在低頻振蕩等問題。采用細分驅動技術設計驅動器，可以提高系統(tǒng)的分辨率以提高精度和防止步進電機低頻振蕩, 增加運行的平穩(wěn)性?！?】目前正處于高度發(fā)展階段的嵌入式技術為達到上述要求提供了良好的技術平臺，其中由美國TI公司生產的TMS320LF2407 DSP芯片對于本課題來說，是一種最理想的控制核心部件。
2 步進電機恒力矩均勻細分原理
      步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使其在零到最大相電流之間能有多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，那么相應的磁場矢量幅值和方向也存在多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，從而實現(xiàn)步距角的細分。
細分的方法有多種，一般采用一相繞組電流恒定，另一相繞組電流成階梯狀通入，但這樣會造成合成電流矢量幅值不斷變化，電機運行不平穩(wěn)。以兩相混合式步進電機為例，圖1為采用一般細分方法四細分通電時的電流矢量圖。

圖1 一般細分方法四細分電流矢量圖

Fig.1 General subdivision four sub-current vector
從圖中可明顯地看到，合成電流矢量幅值不斷變化，最高時可達1．414倍?！?】
本文采用了電流矢量恒幅均勻旋轉的細分方法，即分別給兩相繞組通以正、余弦變化的電流，使合成的電流矢量恒幅均勻旋轉，從而實現(xiàn)步進電機步距的均勻細分。以兩相混合式步進電機為例，轉子由A到B轉過90o電角度，步進電機則轉過一個步距角1.8o。細分時把90o電角度 n等分，那么相應的細分后的步距角為1.8o/n。
如果把兩相電流按式 
Ia=Imsinα            （1）
Ib=Imcosα            （2）    
變化。其中Im為繞組額定電流，α為電機轉過的角度且α= ， n為細分數(shù)，s為步數(shù)，這樣電流矢量就可實現(xiàn)恒幅均勻旋轉。
圖2為采用恒力矩細分方法四細分通電時的電流矢量圖。

圖2 恒力矩均勻細分電流矢量圖

Fig.2 Constant torque even sub-current vector

3 系統(tǒng)的總體結構
系統(tǒng)的總體結構原理如圖3所示
系統(tǒng)的總體結構原理如圖3所示

圖3 系統(tǒng)總體框圖

Fig.3 Overall system block diagram
系統(tǒng)的控制器選擇TMS320LF2407 DSP，由DSP的事件管理模塊產生的兩路PWM控制信號經驅動電路和功率放大電路之后與步進電機的兩相繞組相連，實現(xiàn)步進電機的控制。步進電機的繞組接采樣電阻，把電機繞組的電流信號轉換為電壓信號經過電流反饋電路處理接DSP的A/D轉換模塊，實現(xiàn)對繞組電流的實時檢測，便于DSP的PWM脈寬調制程序在線實時的調整脈沖寬度實現(xiàn)均勻細分。這就是電流閉環(huán)瞬時電流跟蹤控制策略的思想。
3.1 系統(tǒng)控制器DSP
TMS320LF2407 DSP芯片集成了PWM控制信號發(fā)生器，它可以通過調整事件管理器（EV）的定時器控制寄存器來設定PWM工作方式和頻率，通過調整比較值來調整PWM占空比，通過調整死區(qū)控制寄存器來設定死區(qū)時間，通過專用的PWM 輸出口輸出占空比可調的帶有死區(qū)PWM控制信號，通過軟件實現(xiàn)名副其實的全數(shù)字控制。從而省去了其他控制器所用的外圍PWM波發(fā)生電路和時間延遲（死區(qū)）電路。因此使用DSP控制直流電動機可以獲得高性能和低成本。
3.2主電路的驅動電路
步進電機的主電路采用MOSFET搭建，采用H型橋式逆變結構。圖中選用N溝道增強型MOS管IRFP250， MOSFET的驅動選擇IR2110。IR2110是美國國際整流器公司（IR公司）生產的高壓，高速的功率MOSFET，IGBT專用驅動芯片，在芯片中采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅動電路的可靠性?！?】
硬件連接圖如圖（4）所示

圖4 步進電機A相繞組驅動電路圖

Fig.4  A phase winding stepper motor drive circuit
在上圖中IR2110(1)和IR2110(2)兩個芯片的兩個HIN和LIN分別輸入的是步進電機的控制信號，即PWM信號。因為根據(jù)H橋雙極性驅動電路的特點，MOSFET管V1、V4和V2、V3它們的開關順序在邏輯上是相反的。所以可以在HIN和LIN端接“非”門74LS14構成邏輯“反”。這樣不僅可以減少電路的設計難度，而且可以大大減少DSP的PWM輸出，易于編程，提高了運算速度。
圖中VD1和VD4是自舉二極管。C3和c8是電源vcc的濾波電容。為了防止MOSFET器件關斷時，集電極發(fā)射極之間的瞬時電流過高，導致功率MOSFET誤導通，造成災難性后果，所以采用柵極副偏置電路來保護電路。高壓側的副偏置由C2，VD2和R3來構成。R3=100kΩ，c2=100nf。低壓側由VCC，R4,C4,VD3來構成，R4=2kΩ，c4=100uf。VD2和VD3選擇4.7v的穩(wěn)壓二極管，構成的副偏置電壓為-4.7V。第二片IR2110的選擇類似。
3.3電流反饋電路
電流的反饋采用0．25 Ω的精密采樣電阻將電流轉換成電壓，經電容濾波和放大處理后直接進入2407 DSP的A／D輸入通道進行A／D轉換，轉換后的電流數(shù)值在程序中進行數(shù)據(jù)處理后調節(jié)DSP發(fā)出的PWM 信號的占空比，從而調節(jié)電流的大小，實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。以A相為例，其電流采樣。電路如圖5所示。

圖5 電流反饋電路圖
Fig.5  Current feedback circuit

4 PWM均勻細分的軟件實現(xiàn)
由H橋雙極性電路的PWM調速原理知，電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值Uα為：
 （3）        
式中 α為占空比                （4）
t1一個PWM脈沖周期的脈沖持續(xù)時間。
由上式分析知，當占空比高于5O%時，電流從A+到A一，設為A+；占空比低于5O%時，電流從A一到A+，設為A一。B相過程類似。這樣就通過了脈寬調制的方式實現(xiàn)電流換相。
對于控制芯片TMS320LF2407  DSP 其EV模塊輸出的PWM 信號的周期和占空比取決于EV模塊周期寄存器和比較寄存器的值，PWM周期寄存器的值不變，改變比較寄存器的值就可改變占空比。為了減小DSP的運算量，提高程序執(zhí)行速度，根據(jù)電路參數(shù)、電機參數(shù)和細分數(shù)，以5O%為基準，占空比按正弦規(guī)律(r=50%+sin(sπ/4N)，（S為所走微步數(shù)，N為細分數(shù))離線計算每走一微步的電流所對應的占空比，再將占空比根據(jù)公式 轉化為DSP比較比寄存器的值然后制成表格，儲存在DSP的存儲單元里。程序通過查表來給定電機繞組電流。
程序的實現(xiàn)通過周期中斷的方式來實現(xiàn)。程序流程圖如圖6

圖6 PWM均勻細分DSP程序流程圖
Fig.6 Uniform subdivision DSP program flowchart

5 實驗分析
本系統(tǒng)的應用背景是卷煙吸阻測量儀的煙倉驅動電機的驅動。課題要求步進電機的旋轉的步距角誤差≤0.025o。我們選用的是42BYG250A兩相混合式步進電動機，其基本參數(shù)是：步距角1.8°；相電流1.5A；保持轉矩 0.23Nm ；轉動慣量 38gcm2；我們以PWM16細分為例來測試系統(tǒng)，我們利用單步響應法【4】測量出步進電機的單步響應步距角，并且得到實測曲線。16細分時步進電機的理論步距角按公式 來計算，N為細分數(shù)，Z為電機轉子齒數(shù)，得理論步距角為0.1125o。由數(shù)據(jù)表并參照實測曲線可得出(θb)max=0.1231o,(θb)min=0.1022o，所以最大步距角誤差為+0.0106o和-0.0103。測試結果符合控制要求。
6 結語
以TMS320LF2407 DSP為控制器的步進電機恒轉矩PWM細分驅動系統(tǒng)提高了細分精度和電機運行平穩(wěn)性。但是由于混合式步進電機的結構特點，電機繞組電流與合成磁場間存在非線性，合成的磁場矢量不能跟隨電流矢量旋轉，按照理想細分電流模型得到的細分步距角存在誤差。所以要想獲得更高的精度，可以根據(jù)實際電機參數(shù)在調試中用實驗法和最小二乘法相結合的方法對PWM占空比進行修正，使繞組電流矢量盡可能恒幅均勻旋轉，以達到更高的精度?！?】

參考文獻
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