基于DSP的微位移步進(jìn)電機控制系統設計

摘要：本系統擬計劃采用DSP控制步進(jìn)電機推動(dòng)輕裝置移動(dòng)實(shí)現測量裝置的精準定位。系統擬采用的主控制器為DSP28335，被控對象為最小步進(jìn)角為1.8°的42步進(jìn)電機，采用DSP輸出PWM脈沖波通過(guò)電機驅動(dòng)器控制電機的運行。系統根據具體控制要求改變對PWM參數的設置，并通過(guò)相關(guān)的算法對過(guò)程參數進(jìn)行修正以完成系統目的。電機控制系統的控制精度為線(xiàn)位移10 μm，能夠達到為實(shí)驗室項目進(jìn)行支持的目的，本系統亦可廣泛應用于電機控制領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：DSP28335控制;PWM脈沖波形;步進(jìn)電機;A3977SED

0 引言

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制器件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的。為實(shí)現對步進(jìn)電機的控制，一般可采用單片機為控制器，通過(guò)一些大規模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數以實(shí)現步進(jìn)電機的控制，然而整個(gè)系統的準確性、可靠性都存在缺陷。本系統是為實(shí)驗室某項目服務(wù)的子系統，系統的研究目的在于精確、快速、穩定地調節實(shí)驗裝置的相對移動(dòng)，找到最佳位置、角度安放裝置，故本系統擬采用浮點(diǎn)型DSP28335作為系統控制器，擬采用其集成的PWM輸出模塊，減少外圍電路的使用，提高了系統的可靠性和系統的控制精度。

1 系統總體方案設計

本系統總體設計框圖如圖1所示。擬采用數字信號處理芯片DSP28335根據控制算法輸出一個(gè)特定的PWM脈沖序列，該脈沖序列經(jīng)由特定的步進(jìn)電機驅動(dòng)器實(shí)現對高精度的42步進(jìn)電機的控制，通過(guò)控制算法自動(dòng)或者手動(dòng)調節電機的運行狀態(tài)和運行速度并送液晶實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)對系統點(diǎn)位的檢測來(lái)判定是否達到系統的控制目的，最終通過(guò)一定算法完成系統安裝位置的選定。

2 系統硬件實(shí)現

本系統擬選用的主控制器為，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18路的PWM輸出，其中有6路為T(mén)I特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)。本系統中正是使用了其獨立的PWM模塊產(chǎn)生脈沖信號。因課題需要精確定位故選用控制精度為1.8°的42步進(jìn)電機實(shí)現裝置推動(dòng)，步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機件，其結構圖如圖2所示。

從理論上講，步進(jìn)電機的驅動(dòng)方式只需通過(guò)循環(huán)改變定子線(xiàn)圈勵磁就能實(shí)現，但是由于電機對電路驅動(dòng)能力要求高，故本系統采用外接驅動(dòng)芯片A3977，A3977細分驅動(dòng)器采用高性能的專(zhuān)用微步距電腦控制芯片，其含內置轉換器的完整的微步電動(dòng)機驅動(dòng)器。只需在一個(gè)步進(jìn)輸入一個(gè)脈沖即可驅動(dòng)電動(dòng)機進(jìn)行一個(gè)步進(jìn)，通過(guò)兩個(gè)邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進(jìn)模式。其內部同步整流控制電路用來(lái)改善脈寬調制(PWM)操作時(shí)的功率消耗，并且該芯片可以自動(dòng)地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。本驅動(dòng)芯片設置為全步模式，其采用共陰接法en使能，dir控制方向，step信號接收脈沖信號，信號的頻率決定轉速，脈沖的個(gè)數控制電機的步進(jìn)距離。系統的總體硬件圖如圖3所示，上位機對信號采集后通信DSP，使DSP產(chǎn)生相應的控制信號輸給連接好42電機的步進(jìn)電機驅動(dòng)器A3977SED，控制電機的運行完成系統控制目的。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計擬從兩方面展開(kāi)：1 PWM脈沖的產(chǎn)生設計，2步進(jìn)電機的控制方式設計。

3.1 PWM脈沖序列的產(chǎn)生

PWM是利用微處理器的數字輸出來(lái)對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本系統采用DSP產(chǎn)生脈沖序列，DSP28335共12路16位的ePWM，能進(jìn)行頻率和占空比控制。PWM信號頻率由時(shí)基周期寄存器TBPDR和時(shí)基計數器的計數模式?jīng)Q定。初始化程序采用的計數模式為遞增計數模式。在遞增計數模式下，時(shí)基計數器從零開(kāi)始增加，直到達到周期寄存器值(TBPDR)，然后時(shí)基計數器復位到零，再次開(kāi)始增加。

PWM信號周期與頻率的計算如下：

ePWM的時(shí)鐘

TBCLK=SYSCLKOUT/(HSPCLKDIV×

CLKDIV)： (1)

Tpwm=(TBPRD+1)*Ttbclk： (2)

Fpwm=1/(Tpwm) (3)

其初設置程序流程圖如圖4所示。

3.2 步進(jìn)電機的控制

本系統設計了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)模式主要運用于對自動(dòng)化和控制要求不高的場(chǎng)合，通過(guò)按鍵實(shí)現電機的步移、加減速、正反轉和啟停。自動(dòng)模式運用于對自動(dòng)化程度、控制精度要求高的工況。針對實(shí)驗室項目，本系統采用的控制方式主要為自動(dòng)模式。上位機上電后即開(kāi)始檢測實(shí)驗室裝置(流量傳感器)輸出信號，通過(guò)與事先設定好的兩個(gè)閾值A和B(B>A)進(jìn)行比較，當信號強度為零時(shí)電機推動(dòng)傳感器高速循環(huán)掃描現場(chǎng)直到信號強度大于閾值A時(shí)，系統判斷為粗調成功。此后系統進(jìn)入微調階段，電機進(jìn)入低速運行模式，傳感器低速移動(dòng)直到信號強度大于或者等于B強度時(shí)系統控制電機停止運行。系統的控制流程圖如圖5所示。在本系統中針對不同的工況設計的兩個(gè)信號閾值為程序設計中的周期寄存器提供了設置依據，因實(shí)驗室系統對精度要求較高，故周期寄存器設置的初值都較大從而使Fpwm的值較小，電機的轉速也相應較低。在本系統中選用EPWM2B端口輸出PWM的脈沖，GPIO1控制電機轉動(dòng)方向，GPIO2控制電機的啟停。