基于TMS320F28335的微位移步進電機控制系統(tǒng)設計

 摘要：本系統(tǒng)擬計劃采用DSP控制步進電機推動輕裝置移動實現測量裝置的精準定位。系統(tǒng)擬采用的主控制器為DSP28335，被控對象為最小步進角為1.8°的42步進電機，采用DSP輸出PWM脈沖波通過電機驅動器摔制電機的運行。系統(tǒng)根據具體控制要求改變對PWM參數的設置，并通過相關的算法對過程參數進行修正以完成系統(tǒng)目的。電機控制系統(tǒng)的控制精度為線位移10 μm，能夠達到為實驗室項目進行支持的目的，本系統(tǒng)亦可廣泛應用于電機控制領域。

關鍵詞：DSP28335控制;PWM脈沖波形;步進電機;A3977SED

0 引言

步進電機是將電脈沖信號轉變?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，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。為實現對步進電機的控制，一般可采用單片機為控制器，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以實現步進電機的控制，然而整個系統(tǒng)的準確性、可靠性都存在缺陷。本系統(tǒng)是為實驗室某項目服務的子系統(tǒng)，系統(tǒng)的研究目的在于精確、快速、穩(wěn)定地調節(jié)實驗裝置的相對移動，找到最佳位置、角度安放裝置，故本系統(tǒng)擬采用浮點型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)總體方案設計

本系統(tǒng)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特定的PWM脈沖序列，該脈沖序列經由特定的步進電機驅動器實現對高精度的42步進電機的控制，通過控制算法自動或者手動調節(jié)電機的運行狀態(tài)和運行速度并送液晶實時顯示。通過對系統(tǒng)點位的檢測來判定是否達到系統(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)硬件實現

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位浮點處理單元，有多達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)中正是使用了其獨立的PWM模塊產生脈沖信號。因課題需要精確定位故選用控制精度為1.8°的42步進電機實現裝置推動，步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，其結構圖如圖2所示。

從理論上講，步進電機的驅動方式只需通過循環(huán)改變定子線圈勵磁就能實現，但是由于電機對電路驅動能力要求高，故本系統(tǒng)采用外接驅動芯片A3977，A3977細分驅動器采用高性能的專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機驅動器。只需在一個步進輸入一個脈沖即可驅動電動機進行一個步進，通過兩個邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進模式。其內部同步整流控制電路用來改善脈寬調制(PWM)操作時的功率消耗，并且該芯片可以自動地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。本驅動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，脈沖的個數控制電機的步進距離。系統(tǒng)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產生相應的控制信號輸給連接好42電機的步進電機驅動器A3977SED，控制電機的運行完成系統(tǒng)控制目的。

3 系統(tǒng)軟件設計

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

3.1 PWM脈沖序列的產生

PWM是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。本系統(tǒng)采用DSP產生脈沖序列，DSP28335共12路16位的ePWM，能進行頻率和占空比控制。PWM信號頻率由時基周期寄存器TBPDR和時基計數器的計數模式決定。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，時基計數器從零開始增加，直到達到周期寄存器值(TBPDR)，然后時基計數器復位到零，再次開始增加。

PWM信號周期與頻率的計算如下：

ePWM的時鐘

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 步進電機的控制

本系統(tǒng)設計了手動和自動兩種控制方式，手動模式主要運用于對自動化和控制要求不高的場合，通過按鍵實現電機的步移、加減速、正反轉和啟停。自動模式運用于對自動化程度、控制精度要求高的工況。針對實驗室項目，本系統(tǒng)采用的控制方式主要為自動模式。上位機上電后即開始檢測實驗室裝置(流量傳感器)輸出信號，通過與事先設定好的兩個閾值A和B(B>A)進行比較，當信號強度為零時電機推動傳感器高速循環(huán)掃描現場直到信號強度大于閾值A時，系統(tǒng)判斷為粗調成功。此后系統(tǒng)進入微調階段，電機進入低速運行模式，傳感器低速移動直到信號強度大于或者等于B強度時系統(tǒng)控制電機停止運行。系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。在本系統(tǒng)中針對不同的工況設計的兩個信號閾值為程序設計中的周期寄存器提供了設置依據，因實驗室系統(tǒng)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(tǒng)中選用EPWM2B端口輸出PWM的脈沖，GPIO1控制電機轉動方向，GPIO2控制電機的啟停。

4 系統(tǒng)調試分析

4.1 PWM脈沖調制分析

圖6為DSP輸出的脈沖波形和其相對應的參數，通過修改參數值可以實現對脈沖頻率的改變，并且可以通過DSP的點對輸出控制電機的運行。通過調試分析能夠很好地實現實驗目的，持續(xù)地改變電機的運行狀態(tài)。

4.2 控制精度調試

本系統(tǒng)采用電機推動絲桿移動裝置。絲桿采用的是滾珠絲杠，其為一種將回轉運動轉化為直線運動的理想的產品。

本系統(tǒng)選用的電機的最小步進角為1.8°故控制精度調試實際就是絲桿精度的調試，本系統(tǒng)選用的絲桿的額定扭矩為4N.m，最小角位移對應線位移為10 μm。

系統(tǒng)總體調試：

現階段系統(tǒng)調試結果為通過按鍵和程序控制能夠很容易地實現電機的運行，能夠通過計算得出電機的運行角速度并送液晶屏顯示當前過程量。連接好絲桿的電機能夠實現對傳感器的推動。通過上位機對傳感器信號強度的實時監(jiān)測，系統(tǒng)能夠基本滿足設計目的，即系統(tǒng)能自動并有效地進行最佳信號點的檢測，達到對物塊的精確定位。

5 小結

本系統(tǒng)從實際工程背景出發(fā)，旨在為實驗室某項目提供技術支持。通過對系統(tǒng)的設計和調試能夠從理論上實現項目目的，達到控制要求。通過硬件選型、軟件設計、控制方案研究和實際調試分析，系統(tǒng)能夠達到預期設計目的。然而本系統(tǒng)還存在一些問題有待解決，因本系統(tǒng)是配合項目其他模塊而設計的，而其他模塊尚在調試階段，測試數據不精確，故電機系統(tǒng)控制方案設計模塊還有待提高，將在后續(xù)項目進程中進一步研究。本系統(tǒng)當前研究成果能夠適用于對控制精度要求不高的場合，因系統(tǒng)的控制方法比較簡單、系統(tǒng)結構簡潔，有一定的應用價值。