基于DSP的微位移步進電機控制系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)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(qū)動器控制電機的運行。系統(tǒng)根據(jù)具體控制要求改變對PWM參數(shù)的設(shè)置，并通過相關(guān)的算法對過程參數(shù)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(yīng)用于電機控制領(lǐng)域。

關(guān)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(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，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。為實現(xiàn)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(shù)以實現(xiàn)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(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(shè)計

本系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。擬采用數(shù)字信號處理芯片DSP28335根據(jù)控制算法輸出一個特定的PWM脈沖序列，該脈沖序列經(jīng)由特定的步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)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(diào)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(xiàn)

本系統(tǒng)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(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步進電機實現(xiàn)裝置推動，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

從理論上講，步進電機的驅(qū)動方式只需通過循環(huán)改變定子線圈勵磁就能實現(xiàn)，但是由于電機對電路驅(qū)動能力要求高，故本系統(tǒng)采用外接驅(qū)動芯片A3977，A3977細分驅(qū)動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機驅(qū)動器。只需在一個步進輸入一個脈沖即可驅(qū)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(nèi)部同步整流控制電路用來改善脈寬調(diào)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(qū)動芯片設(shè)置為全步模式，其采用共陰接法en使能，dir控制方向，step信號接收脈沖信號，信號的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖的個數(shù)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(chǎn)生相應(yīng)的控制信號輸給連接好42電機的步進電機驅(qū)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(shè)計

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

3.1 PWM脈沖序列的產(chǎn)生

PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)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(tǒng)采用DSP產(chǎn)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(shù)器的計數(shù)模式?jīng)Q定。初始化程序采用的計數(shù)模式為遞增計數(shù)模式。在遞增計數(shù)模式下，時基計數(shù)器從零開始增加，直到達到周期寄存器值(TBPDR)，然后時基計數(shù)器復(fù)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(shè)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(shè)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(xiàn)電機的步移、加減速、正反轉(zhuǎn)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(shè)定好的兩個閾值A(chǔ)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(xiàn)場直到信號強度大于閾值A(chǔ)時，系統(tǒng)判斷為粗調(diào)成功。此后系統(tǒng)進入微調(diào)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(shè)計的兩個信號閾值為程序設(shè)計中的周期寄存器提供了設(shè)置依據(jù)，因?qū)嶒炇蚁到y(tǒng)對精度要求較高，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控制電機轉(zhuǎn)動方向，GPIO2控制電機的啟停。