基于dsp的直线步进电机控制系统的设计本科学位论文.docx
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基于dsp的直线步进电机控制系统的设计本科学位论文
毕业设计/论文
课题名称基于DSP的直线步进电机控制系统
的设计
院 系机电与自动化学院
专业班级 自动化1201班
学生姓名 王笑琴
武昌首义学院
基于DSP的直线步进电机控制系统的设计
摘要
本文在直线步进电机的基本结构、原理与特性的基础上,着重分析两相混合式直线步进电机的结构、磁链及工作原理。
根据两相混合式直线步进电机绕组的通电特点和脉冲步进控制方法,采用以DSP为核心的控制单元,以具有细分功能的两相步进电机驱动专用芯片A3977SED作为功率驱动器件,对两相混合式直线步迸电机提出了总体控制方案,并分别就控制系统技术方案、硬件电路、控制软件设计等技术内容进行了详细的分析和研究。
本设计以典型电机微控制器TMS320F28xx芯片为控制核心,采用反馈和开环控制相结合方式。
阐述了如何利用TMS320F28xx实现电机转向、速度控制,具有较好的运行效果,可获得近似于伺服电机的性能,具有较高的性价比。
关键词:
直线步进电机;DSP;控制系统;TMS320F28xx
ModernDesignoflinearsteppermotorcontrolsystembasedonDSP
Abstract
Onthebasisofthebasicstructure,principleandcharacteristicoflinearsteppingmotor,thestructure,fluxandworkingprincipleofthetwophasehybridlinearsteppingmotorareanalyzed.
Accordingtothetwophasehybridlinearstepintothemotorwindingenergizedcharacteristicsandpulsestepcontrolmethod,withDSPasthecorecontrolunit,totwo-phasestepwithafunctionalsubdivisionofthesteppingmotordriveICA3977SEDasapowerdrivepart,thetwo-phasehybridlinearsteppingmotorproposedoverallcontrolschemeandcontrolsystemtechnology,hardwarecircuitandcontrolsoftwaredesignwereanalyzedandstudiedindetailbyusing.
ThisdesigntakesthetypicalmotormicrocontrollerTMS320F28xxchipasthecontrolcore,usesthefeedbackandtheopenloopcontrolcombinationway.ThispaperdescribeshowtouseTMS320F28xxtoachievethemotorsteeringandspeedcontrol,andhasagoodrunningeffect.Itcanobtaintheperformanceoftheservomotorandhasahighperformancepriceratio.
Keywords:
linearsteppermotor;DSP;controlsystem;TMS320F28xx
目录
1绪论.........................................................................................................................1
1.1直线步进电机的特点及控制方式......................................................................1
1.2.1直线步进电机的特点.......................................................................................1
1.2.2直线步进电机控制系统的实现......................................................................1
2两相混合式直线步进电机原理...........................................................................3
2.1直线步进电机简介...............................................................................................3
2.2直线步进电机的结构及其工作原理..................................................................3
2.3直线步进电机驱动电路原理分析......................................................................5
3直线步进电机控制系统硬件设计.......................................................................6
3.1控制系统硬件组成...............................................................................................6
3.2控制器...................................................................................................................6
3.3TMS320F28xx概述............................................................................................7
3.4驱动器...................................................................................................................8
3.5总体设计.............................................................................................................11
3.6硬件组成.............................................................................................................11
4直线步进电机控制系统软件设计....................................................................13
4.1PWM脉冲序列的产生.....................................................................................13
4.2步进电机的控制................................................................................................13
4.3程序设计............................................................................................................14
5总结......................................................................................................................20
主要参考文献............................................................................................................21
致谢........................................................................................................................22
绪论
1直线步进电机的特点及控制方式
1.1直线步进电机的特点
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制器件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
直线步进电机,是一种将输入的电脉冲信号转换成微步直线运动驱动装置。
当这种电机外加一个电脉冲时,就会直线地运动一步并准确地锁定在所希望的位置上。
因为其运动形式是直线步进的,因而称为直线步进电动机。
直线步进电动机可广泛地应用于各种精密设备,如自动绘图仪、计算机设备、智能仪器仪表、机器人、电子设备及各种自动化检测、控制等领域当中。
1.2直线步进电机控制系统的实现
现阶段直线步进电机的控制方式主要有:
基于MCU的控制系统、基于DSP的控制系统、基于ASIC的控制系统。
1.2.1基于MCU的控制系统
现在普遍采用MCU作为电动机的控制器。
MCU作为电动机的控制器使电路更简单,可以实现较复杂的控制。
MCU的控制方式是由软件完成,灵活性、适应性比较好。
数字控制不会出现模拟电路中经常出现的零点漂移问题,控制精度高。
还可以具备人机界面,多机联网工作等特点。
MCU介于IPC和PLC之间,它有较强的控制功能、低廉的成本,因此性价比较高。
1.2.2基于DSP的控制系统
由于超大规模集成电路技术的迅速发展,DSP(数字信号处理器)技术在电机控制领域得到广泛应用。
美国的TI和AD公司都已经研制以DSP为内核的集成电动机控制芯片,这些芯片不仅具有高速信号处理能力和数字控制功能,而且还有为电动机控制应用所必需的外围功能。
在电动机控制系统中采用电动机专用的DSP,不但可以实现如矢量控制、直接转距控制这样的控制算法,而且也有条件完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法,如自适应算法、神经网络算法等。
本设计采用TMS320F28xx系列DSP芯片具有高速的数字信号能力和专为电机控制而设计的结构。
使得高实时性要求和复杂算法在电机控制中实现成为可能。
2两相混合式直线步进电机原理
2.1直线步进电机简介
近年来,随着科技方面取得的长足发展,为直线电机的应用奠定了扎实的基础。
各种新型控制元器件的出现,以及材料技术的飞速发展为直线电机的应用更是锦上添花。
直线步进电机的原理和旋转步进电机一样,与直流电机和异步电机不同,加给直线步进电机的电流是脉冲电。
对直线步进电机的控制,其最核心的地方就是脉冲频率和占空比的控制,我们可以由数字控制器来得到占空比合适的电脉冲。
直线步进电机的角位移以输入脉冲数严格的成正比,因此,当它转一转后,没有累计误差,具有良好的跟随性。
由直线步进电机与驱动电路组成的开环数控系统,即非常简单、廉价,又非常可靠。
同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
直线步进电机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。
它的速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证获得大转矩,因此,一般可以不用减速器而直接驱动负载
2.2直线步进电机的结构及其工作原理
直线步进电机大致可归纳为两大类型:
一类是反应式直线步进电机,另一类是混合式直线步进电机。
本文选取了两相混合式直线步进电机进行讨论研究,其结构如图2-1所示,基本结构由定子、动子及线圈组成。
定子由开有等距齿槽的叠片铁心组成,动子由永久磁铁和电磁铁EMA与EMB组成。
电磁铁EMA上安放绕组A,具有1和2两个磁极,电磁铁EMB上安放绕组B,具有3和4两个磁极,4个磁极上有儿个齿,且定子和动子齿距相等。
磁场是由永久磁铁和绕组电流共同产生的。
当电磁铁没有电流时,永久磁铁向所有的磁极提供了φ/2的常值磁通(φ是永久磁铁提供的总磁通),此时,动子上没有水平推力,动子可以稳定在任何位置上。
随着各相控制绕组中的电流发生变化,使得各极下的磁场位置发生变化,因而带动步进电机动子产生直线步进运动。
图2-1两相混合式直线步进电机结构示意图
如果让线圈A通入余弦电流,同时让线圈B通入正弦电流(如图2-2中虚线所示),则在。
0-π/2范围内,线圈B中的电流从零逐渐增大到最大值,使得极4下的磁通由φ/2逐渐增大到最大值φ,而极3下的磁通逐渐由φ/2下降到零。
同时极1的磁通随着
下降而下降,配合线圈B使动子平滑均匀地移动。
由于磁通具有通过磁阻最小路径的原理,所以电流由大到小交变一次,动子就移动1个齿距。
当A相电流由最大值下降到零,B相电流由零上升到最大值时,动子移动了1/4齿距。
如果在A相电流由最大值下降的同时,B相电流由零开始上升,当它们的值达到相等时,则动子对应地正好移过1/8齿距。
如果将上述A相和B相的正、余弦电流每个周期都用40个等宽不等幅的脉冲代替(见图2-3),则每个脉冲的宽度为
(电角度),对于每个脉冲,步进电机就会相对于原位置移动1/40齿距,此时步距为1/40齿距,可见电机的步距分辨率比原来提高了10倍。
这种控制步进电机工作的方法就是细分技术,利用细分技术可以实现更高的分辨率和精确的定位。
图2-2两相同时通电时的电流波形
图2-3用脉冲群逼近正余弦曲线
2.3直线步进电机驱动电路原理分析
从混合式直线步进电动机的工作原理得知,混合式直线步进电动机需要一个双极性控制电源,下面简单介绍一下,一种比较典型的晶体管桥式双极性驱动电路,如图2-4所示。
根据所需要的电流极性,成对的开关三级管对相绕组的正向励磁,就要接通三极管V1和V4,以便电流路径由电源通过三极管Vl到相绕组及限流电阻R,然后经过三极管V4回到电源。
在相反的情况下,接通三极管V2和V3,以便电流朝相绕组相反的方向流动。
在桥中的四个开关三极管需要独立的基极驱动器来放大这两种(正的和负的)相控制信号,这信号要通过光电隔离管来传递。
图2-4中四个二极管的桥,它们相反地并联在开关三极管上,以提供续流回路,图2-4中虚线说明在打开三极管V1和V4后,瞬时续流经过二极管V6和V7的路径情况。
这续流路径包括直流电源在内,因此某些储存在相绕组电感中的能量,在打开开关时,被返回到电源。
由这引起改善整个系统效率的效果表明双极性桥式驱动电路胜过单极性驱动。
在双极性驱动电路中,续流比单极性驱动电路衰减更迅速,因为直流电源反对它们,因此,在双极性电路中不需要续流电阻。
图2-4晶体管桥式双极性驱动电路
3直线步进电机控制系统硬件设计
3.1控制系统硬件组成
本控制系统由控制器,直线步进电机驱动器,直线步进电机、负载、和光电码盘等组成,控制系统基本组成见图3-1。
控制器送给驱动器一定频率和个数的脉冲,驱动器接收脉冲信息和方向信号,码盘反馈位置信息给控制器,步进电机为两相混合式直线步进电机。
由于步进电机属于数字脉冲驱动型,一个脉冲走一步,通过脉冲的个数可以确定其位置,通过脉冲的频率可以控制转速。
但如果控制做的不好,容易导致失步甚至堵转,例如当负载的速度跟不上脉冲的频率时,就会失步。
当开环系统发生失步时,控制器并不知道系统已失步,此时如果有位置反馈及时纠错,同时修正系统的加减速控制,就可以使系统继续正常的工作,这样提高系统的精度,同时也避免了堵转现象的发生。
图3-1控制系统基本组成图
3.2控制器
控制器用于完成微机伺服命令解释,在位置反馈下实现步进电机的精确控制,主要包括:
微机通讯接口、码盘接口、码盘信号处理、驱动电机接口、TMS320F28xx、电源等,其中控制主板接口全部采用光电隔离措施,控制器原理框图见图3-2所示。
图3-2控制器原理框图
其中,DSP作为核心处理器实现各种外围功能和核心算法,FPGA配合DSP实现加减速控制,输出脉冲信号给驱动器。
编码器的正交信号可以直接送给DSP的码盘接口由DSP计数,也可送给FPGA进行计数,然后由DSP读取,进而减轻DSP的负担,本系统的编码器线数为3600线,4倍频后是14400,小于DSP内部编码器期寄存器的计数范围,所以本系统直接采用DSP自带编码器器接口实现码盘位置信息的采集。
3.2.1TMS320F28xx概述
TMS320F28xxDSP是TI公司新推出的一款浮点型数字信号处理器,它在已有的DSP平台上增加了浮点运算内核,既保持了原有DSP芯片的优点,又能够执行复杂的浮点运算,可以节省代码执行时间和存储空间,具有精度高、成本低、功耗小、外设集成度高,数据及程序在储量大和AD转换更精确快速等优点。
TMS320F28xx具有150MHz的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF,有多达18路的PWM输出,其中有6路为TI特有的更高精度的PWM(HRPWM),12位16通道ADC。
得益于其浮点运算单元,用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力,与前代DSP相比,平均性能提高50℅,并与定点C28X控制器软件兼容,从而简化软件开发,缩短开发周期,降低开发成本。
具有密码保护机制,可兼顾控制和快速运算的双重功能。
通过对其进行合理的系统配置和编程可实现快速运算。
功能框图如图3-3所示。
其主要资源和性能指标如下:
1)高性能静态CMOS技术,主频最高可达150MHz(时钟周期6.67ns),低功耗,1.8V核电压和3.3VI/O电压供电。
2)支持JTAGB边界扫描。
3)32位高性能CPU,可实现32×32位或16×16位乘法累加,哈佛总线结构,与TMS320F24x/LF240xDSP源代码兼容。
4)片上内存丰富,含有128K×16bits可加密FLASH,18K×16bitsSARAM。
5)外部接口可达1M×16bits的存储器,可编程等待周期,三个独立的片选信号。
6)片上集成了16个通道的12位A/D接口,最小转换时间80ns,可灵活设置采样方式。
7)看门狗定时器模块,支持锁相环模块PLL比率动态改变。
8)中断资源丰富,可支持96个外设计中断和3个外部中断,提取中断向量和保存现场只需9个时钟周期,响应速度快。
9)通用输入/输出多路复用器(GPIO)拥有多达56个I/O口。
10)片内功能丰富:
两个时间管理模块(EV),包括4路16位时间定时器,12路PWM输出通道及6路光电码盘接口;2路串行通信接口(SCI)以及1路多通道缓冲串行接口(McBSP)和1路eCAN总线模块。
图3-3TMS320F28xx功能框图
3.3驱动器
驱动器主要包括环形分配器和功率放大器。
驱动器基本框图如3-4。
各部分原理分析如下:
图3-4驱动基本框图
3.3.1脉冲信号产生
脉冲信号一般由MCU或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。
3.3.2信号分配
我们选用二相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下:
二相四拍有A-B-/A-/B和
步距角为1.8度;二相八拍为
步距角为0.9度。
四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA,(步距角为0.9度)。
信号分配可以直接通过DSP产生,但为了减小DSP的负担,我们通过ASIC实现信号的环形分配。
图3-5驱动励磁通电图
3.3.3功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
经上面的精度分析,步进电机在半步0.9度,在加上减速比i,i=10时步距角可以达到0.09度,i=60时理论上可以达到更高。
所以,可以不采用细分控制,这样有很多专用的步进电机驱动芯片可用例如:
L297和L298,PBL37770A,PM8713等。
包含8细分功能的驱动芯片也有几款可用,例如ALLEGRO公司的A3955SB,AS796,MTD2005,SAA1042,UC3770是可实现8细分的步进电机集成驱动芯片。
3.3.4细分驱动
在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
图3-6合成磁场示意图
为尽量提高电机的动态性能和模块化,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
与控制器接口光电隔离。
步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下:
图3-7力矩-速度
3.4总体设计
采用电机微控制器TMS320F28xx芯片根据控制算法输出一个特定的PWM脉冲序列,该脉冲序列经由特定的步进电机驱动器实现对高精度的步进电机的控制,通过控制算法调节电机的运行状态和运行速度并送上位机实时显示。
3.5硬件组成
本控制系统中主要硬件:
TMS320F28xx芯片;位置传感器选用3600线增量式光电编码器;控制系统中所选步进电机为:
两相混合式步进电机,步距角0.9度/1.8度,驱动电压选24v。
从理论上讲,步进电机的驱动方式只需要通过循环改变定子线圈励磁就能实现,但是由于电机对电路驱动能力要求高,故本系统采用外接驱动芯片A3977。
A3977细分驱动器采用高性能的专用微步距电脑控制芯片,其含内置转换器的完整的微步电动机驱动器。
只需在一个步进输入一个脉冲即可驱动电动机进行一个步进,通过两个逻辑输入确定所处的全、半、1/4或1/8步进模式。
其内部同步整流控制电路用来改善脉宽调制(PWM)操作时的功率消耗,并且该芯片可以自动地控制其PWM操作在快、慢及混合衰减模式。
本驱动芯片设置为全步模式,
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