基于TMS320F28335的微位移步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本系統(tǒng)擬計(jì)劃采用DSP控制步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)輕裝置移動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的精準(zhǔn)定位。系統(tǒng)擬采用的主控制器為DSP28335，被控對(duì)象為最小步進(jìn)角為1.8°的42步進(jìn)電機(jī)，采用DSP輸出PWM脈沖波通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器摔制電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)具體控制要求改變對(duì)PWM參數(shù)的設(shè)置，并通過相關(guān)的算法對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行修正以完成系統(tǒng)目的。電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度為線位移10 μm，能夠達(dá)到為實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目進(jìn)行支持的目的，本系統(tǒng)亦可廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。

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

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制器件。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。為實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，一般可采用單片機(jī)為控制器，通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，然而整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性都存在缺陷。本系統(tǒng)是為實(shí)驗(yàn)室某項(xiàng)目服務(wù)的子系統(tǒng)，系統(tǒng)的研究目的在于精確、快速、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的相對(duì)移動(dòng)，找到最佳位置、角度安放裝置，故本系統(tǒng)擬采用浮點(diǎn)型DSP28335作為系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的控制精度。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。擬采用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP28335根據(jù)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(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度的42步進(jìn)電機(jī)的控制，通過控制算法自動(dòng)或者手動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行速度并送液晶實(shí)時(shí)顯示。通過對(duì)系統(tǒng)點(diǎn)位的檢測(cè)來判定是否達(dá)到系統(tǒng)的控制目的，最終通過一定算法完成系統(tǒng)安裝位置的選定。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

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)。本系統(tǒng)中正是使用了其獨(dú)立的PWM模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)。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(jī)實(shí)現(xiàn)裝置推動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

從理論上講，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式只需通過循環(huán)改變定子線圈勵(lì)磁就能實(shí)現(xiàn)，但是由于電機(jī)對(duì)電路驅(qū)動(dòng)能力要求高，故本系統(tǒng)采用外接驅(qū)動(dòng)芯片A3977，A3977細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用高性能的專用微步距電腦控制芯片，其含內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的完整的微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。只需在一個(gè)步進(jìn)輸入一個(gè)脈沖即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一個(gè)步進(jìn)，通過兩個(gè)邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進(jìn)模式。其內(nèi)部同步整流控制電路用來改善脈寬調(diào)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(qū)動(dòng)芯片設(shè)置為全步模式，其采用共陰接法en使能，dir控制方向，step信號(hào)接收脈沖信號(hào)，信號(hào)的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖的個(gè)數(shù)控制電機(jī)的步進(jìn)距離。系統(tǒng)的總體硬件圖如圖3所示，上位機(jī)對(duì)信號(hào)采集后通信DSP，使DSP產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)輸給連接好42電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A3977SED，控制電機(jī)的運(yùn)行完成系統(tǒng)控制目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)擬從兩方面展開：1 PWM脈沖的產(chǎn)生設(shè)計(jì)，2步進(jìn)電機(jī)的控制方式設(shè)計(jì)。

3.1 PWM脈沖序列的產(chǎn)生

PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本系統(tǒng)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(hào)頻率由時(shí)基周期寄存器TBPDR和時(shí)基計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式?jīng)Q定。初始化程序采用的計(jì)數(shù)模式為遞增計(jì)數(shù)模式。在遞增計(jì)數(shù)模式下，時(shí)基計(jì)數(shù)器從零開始增加，直到達(dá)到周期寄存器值(TBPDR)，然后時(shí)基計(jì)數(shù)器復(fù)位到零，再次開始增加。

PWM信號(hào)周期與頻率的計(jì)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(shè)置程序流程圖如圖4所示。

3.2 步進(jìn)電機(jī)的控制

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)模式主要運(yùn)用于對(duì)自動(dòng)化和控制要求不高的場(chǎng)合，通過按鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)的步移、加減速、正反轉(zhuǎn)和啟停。自動(dòng)模式運(yùn)用于對(duì)自動(dòng)化程度、控制精度要求高的工況。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，本系統(tǒng)采用的控制方式主要為自動(dòng)模式。上位機(jī)上電后即開始檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室裝置(流量傳感器)輸出信號(hào)，通過與事先設(shè)定好的兩個(gè)閾值A(chǔ)和B(B>A)進(jìn)行比較，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度為零時(shí)電機(jī)推動(dòng)傳感器高速循環(huán)掃描現(xiàn)場(chǎng)直到信號(hào)強(qiáng)度大于閾值A(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)判斷為粗調(diào)成功。此后系統(tǒng)進(jìn)入微調(diào)階段，電機(jī)進(jìn)入低速運(yùn)行模式，傳感器低速移動(dòng)直到信號(hào)強(qiáng)度大于或者等于B強(qiáng)度時(shí)系統(tǒng)控制電機(jī)停止運(yùn)行。系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。在本系統(tǒng)中針對(duì)不同的工況設(shè)計(jì)的兩個(gè)信號(hào)閾值為程序設(shè)計(jì)中的周期寄存器提供了設(shè)置依據(jù)，因?qū)嶒?yàn)室系統(tǒng)對(duì)精度要求較高，故周期寄存器設(shè)置的初值都較大從而使Fpwm的值較小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)較低。在本系統(tǒng)中選用EPWM2B端口輸出PWM的脈沖，GPIO1控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，GPIO2控制電機(jī)的啟停。

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

4.1 PWM脈沖調(diào)制分析

圖6為DSP輸出的脈沖波形和其相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，通過修改參數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的改變，并且可以通過DSP的點(diǎn)對(duì)輸出控制電機(jī)的運(yùn)行。通過調(diào)試分析能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，持續(xù)地改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 控制精度調(diào)試

本系統(tǒng)采用電機(jī)推動(dòng)絲桿移動(dòng)裝置。絲桿采用的是滾珠絲杠，其為一種將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。

本系統(tǒng)選用的電機(jī)的最小步進(jìn)角為1.8°故控制精度調(diào)試實(shí)際就是絲桿精度的調(diào)試，本系統(tǒng)選用的絲桿的額定扭矩為4N.m，最小角位移對(duì)應(yīng)線位移為10 μm。

系統(tǒng)總體調(diào)試：

現(xiàn)階段系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果為通過按鍵和程序控制能夠很容易地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行，能夠通過計(jì)算得出電機(jī)的運(yùn)行角速度并送液晶屏顯示當(dāng)前過程量。連接好絲桿的電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器的推動(dòng)。通過上位機(jī)對(duì)傳感器信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)能夠基本滿足設(shè)計(jì)目的，即系統(tǒng)能自動(dòng)并有效地進(jìn)行最佳信號(hào)點(diǎn)的檢測(cè)，達(dá)到對(duì)物塊的精確定位。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)從實(shí)際工程背景出發(fā)，旨在為實(shí)驗(yàn)室某項(xiàng)目提供技術(shù)支持。通過對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試能夠從理論上實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目的，達(dá)到控制要求。通過硬件選型、軟件設(shè)計(jì)、控制方案研究和實(shí)際調(diào)試分析，系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。然而本系統(tǒng)還存在一些問題有待解決，因本系統(tǒng)是配合項(xiàng)目其他模塊而設(shè)計(jì)的，而其他模塊尚在調(diào)試階段，測(cè)試數(shù)據(jù)不精確，故電機(jī)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)模塊還有待提高，將在后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)程中進(jìn)一步研究。本系統(tǒng)當(dāng)前研究成果能夠適用于對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合，因系統(tǒng)的控制方法比較簡(jiǎn)單、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，有一定的應(yīng)用價(jià)值。