摘要：本文介紹了步進(jìn)電機(jī)恒力矩均勻細(xì)分驅(qū)動的原理。設(shè)計(jì)了以TMS320LF2407 DSP為控制器的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩PWM細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路和電流反饋電路，并且通過軟件實(shí)現(xiàn)了PWM細(xì)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(xì)分精度和電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號處理； 步進(jìn)電機(jī)； 脈沖寬度調(diào)制； 細(xì)分驅(qū)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(jìn)電機(jī)是一種精確地?cái)?shù)字控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在各種精密加工，操作行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，隨著工業(yè)應(yīng)用的不斷深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，人們對步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提出了越來越高的要求。步進(jìn)電機(jī)由于其工作特性——受輸入PWM信號的控制一步一步運(yùn)行，所以步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)運(yùn)行時(shí)存在低頻振蕩等問題。采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)設(shè)計(jì)驅(qū)動器，可以提高系統(tǒng)的分辨率以提高精度和防止步進(jìn)電機(jī)低頻振蕩, 增加運(yùn)行的平穩(wěn)性?！?】目前正處于高度發(fā)展階段的嵌入式技術(shù)為達(dá)到上述要求提供了良好的技術(shù)平臺，其中由美國TI公司生產(chǎn)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(jìn)電機(jī)恒力矩均勻細(xì)分原理
      步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)勵(lì)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(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，那么相應(yīng)的磁場矢量幅值和方向也存在多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分。
細(xì)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(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)。以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，圖1為采用一般細(xì)分方法四細(xì)分通電時(shí)的電流矢量圖。

圖1 一般細(xì)分方法四細(xì)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(shí)可達(dá)1．414倍?！?】
本文采用了電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)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(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距的均勻細(xì)分。以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，轉(zhuǎn)子由A到B轉(zhuǎn)過90o電角度，步進(jìn)電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角1.8o。細(xì)分時(shí)把90o電角度 n等分，那么相應(yīng)的細(xì)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(jī)轉(zhuǎn)過的角度且α= ， n為細(xì)分?jǐn)?shù)，s為步數(shù)，這樣電流矢量就可實(shí)現(xiàn)恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。
圖2為采用恒力矩細(xì)分方法四細(xì)分通電時(shí)的電流矢量圖。

圖2 恒力矩均勻細(xì)分電流矢量圖

Fig.2 Constant torque even sub-current vector

3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理如圖3所示
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的兩路PWM控制信號經(jīng)驅(qū)動電路和功率放大電路之后與步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組相連，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)的繞組接采樣電阻，把電機(jī)繞組的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)過電流反饋電路處理接DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)對繞組電流的實(shí)時(shí)檢測，便于DSP的PWM脈寬調(diào)制程序在線實(shí)時(shí)的調(diào)整脈沖寬度實(shí)現(xiàn)均勻細(xì)分。這就是電流閉環(huán)瞬時(shí)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(diào)整事件管理器（EV）的定時(shí)器控制寄存器來設(shè)定PWM工作方式和頻率，通過調(diào)整比較值來調(diào)整PWM占空比，通過調(diào)整死區(qū)控制寄存器來設(shè)定死區(qū)時(shí)間，通過專用的PWM 輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)PWM控制信號，通過軟件實(shí)現(xiàn)名副其實(shí)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(shí)間延遲（死區(qū)）電路。因此使用DSP控制直流電動機(jī)可以獲得高性能和低成本。
3.2主電路的驅(qū)動電路
步進(jìn)電機(jī)的主電路采用MOSFET搭建，采用H型橋式逆變結(jié)構(gòu)。圖中選用N溝道增強(qiáng)型MOS管IRFP250， MOSFET的驅(qū)動選擇IR2110。IR2110是美國國際整流器公司（IR公司）生產(chǎn)的高壓，高速的功率MOSFET，IGBT專用驅(qū)動芯片，在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動電路的可靠性?！?】
硬件連接圖如圖（4）所示

圖4 步進(jìn)電機(jī)A相繞組驅(qū)動電路圖

Fig.4  A phase winding stepper motor drive circuit
在上圖中IR2110(1)和IR2110(2)兩個(gè)芯片的兩個(gè)HIN和LIN分別輸入的是步進(jìn)電機(jī)的控制信號，即PWM信號。因?yàn)楦鶕?jù)H橋雙極性驅(qū)動電路的特點(diǎn)，MOSFET管V1、V4和V2、V3它們的開關(guān)順序在邏輯上是相反的。所以可以在HIN和LIN端接“非”門74LS14構(gòu)成邏輯“反”。這樣不僅可以減少電路的設(shè)計(jì)難度，而且可以大大減少DSP的PWM輸出，易于編程，提高了運(yùn)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(guān)斷時(shí)，集電極發(fā)射極之間的瞬時(shí)電流過高，導(dǎo)致功率MOSFET誤導(dǎo)通，造成災(zāi)難性后果，所以采用柵極副偏置電路來保護(hù)電路。高壓側(cè)的副偏置由C2，VD2和R3來構(gòu)成。R3=100kΩ，c2=100nf。低壓側(cè)由VCC，R4,C4,VD3來構(gòu)成，R4=2kΩ，c4=100uf。VD2和VD3選擇4.7v的穩(wěn)壓二極管，構(gòu)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(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)電容濾波和放大處理后直接進(jìn)入2407 DSP的A／D輸入通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電流數(shù)值在程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后調(diào)節(jié)DSP發(fā)出的PWM 信號的占空比，從而調(diào)節(jié)電流的大小，實(shí)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(xì)分的軟件實(shí)現(xiàn)
由H橋雙極性電路的PWM調(diào)速原理知，電動機(jī)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(gè)PWM脈沖周期的脈沖持續(xù)時(shí)間。
由上式分析知，當(dāng)占空比高于5O%時(shí)，電流從A+到A一，設(shè)為A+；占空比低于5O%時(shí)，電流從A一到A+，設(shè)為A一。B相過程類似。這樣就通過了脈寬調(diào)制的方式實(shí)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(yùn)算量，提高程序執(zhí)行速度，根據(jù)電路參數(shù)、電機(jī)參數(shù)和細(xì)分?jǐn)?shù)，以5O%為基準(zhǔn)，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(xì)分?jǐn)?shù))離線計(jì)算每走一微步的電流所對應(yīng)的占空比，再將占空比根據(jù)公式 轉(zhuǎn)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(jī)繞組電流。
程序的實(shí)現(xiàn)通過周期中斷的方式來實(shí)現(xiàn)。程序流程圖如圖6

圖6 PWM均勻細(xì)分DSP程序流程圖
Fig.6 Uniform subdivision DSP program flowchart

5 實(shí)驗(yàn)分析
本系統(tǒng)的應(yīng)用背景是卷煙吸阻測量儀的煙倉驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動。課題要求步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)的步距角誤差≤0.025o。我們選用的是42BYG250A兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)，其基本參數(shù)是：步距角1.8°；相電流1.5A；保持轉(zhuǎn)矩 0.23Nm ；轉(zhuǎn)動慣量 38gcm2；我們以PWM16細(xì)分為例來測試系統(tǒng)，我們利用單步響應(yīng)法【4】測量出步進(jìn)電機(jī)的單步響應(yīng)步距角，并且得到實(shí)測曲線。16細(xì)分時(shí)步進(jìn)電機(jī)的理論步距角按公式 來計(jì)算，N為細(xì)分?jǐn)?shù)，Z為電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)，得理論步距角為0.1125o。由數(shù)據(jù)表并參照實(shí)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(jié)果符合控制要求。
6 結(jié)語
以TMS320LF2407 DSP為控制器的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩PWM細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)提高了細(xì)分精度和電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。但是由于混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電機(jī)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(zhuǎn)，按照理想細(xì)分電流模型得到的細(xì)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(shí)際電機(jī)參數(shù)在調(diào)試中用實(shí)驗(yàn)法和最小二乘法相結(jié)合的方法對PWM占空比進(jìn)行修正，使繞組電流矢量盡可能恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到更高的精度。【5】

參考文獻(xiàn)
1 史敬灼. 步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2006
2 張文超．步進(jìn)電機(jī)PWM 恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動技術(shù)研究[J]．機(jī)械制造,2003(6)：33—34．
3 楚斌．IR2110功率驅(qū)動集成芯片應(yīng)用[J]．電子工程師，2004，30(10)：33—35．
4 王宗培.步進(jìn)電動機(jī)微步距角的測量[J]. 微特電機(jī),1995(04)
5 姜平．步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分控制函數(shù)修正新算法[J]．微電機(jī)，2005(4)：32—34．