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基于DSP的三相混合式步进电机驱动器

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1 绪论
1.1 概述
步进电机作为一种将电脉冲转换为角位移或直线运动的执行元件，可以与上位 机（数控系统） 、以及驱动装置构成一个开环的运动控制系统。步进驱动器每接收到 一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角） 。电 机要转过多少角度由总的电脉冲数量决定，电机电机的转速由电脉冲频率决定。80 年代后，随着计算机技术、电力电子技术以及高性能永磁材料的发展，一些先进的 控制理论如矢量控制得以实现，使永磁同步电机性能发生了质的飞跃，在实际应用 中高性能的伺服系统逐渐居于统治地位。对比之下，步进电机的缺点越来越明显， 例如，电机低频运行振荡，高频运行堵转、失步、定位精度有限等，因而限制了步 进电机的应用[1][2]。 科学技术的进步给步进电机带来巨大的挑战同时，新的发展机遇也应运而生。 细分驱动技术是上世纪中后期发展起来的一种可以明显改善步进电机整体运行性能 的驱动技术，可是它对电力电子技术及微处理器技术要求颇高，在当时的科技能力 下很难实现。随着电力电子技术及微处理器技术的不断进步，在步进电机上细分驱 动技术得以实现。实践证明，运用了脉冲细分驱动技术的步进电机，其步距角减小， 控制的灵活性增强，电机运行的平稳性也得以提高。与此同时，步进电机也在快速 的发展，上世纪七十年代后相继开发出了五相和三相混合式步进电动机。混合式步 进电动机的结构及运行原理与永磁同步电机十分相似，所以可在混合式步进电机控 制系统中引入交流伺服控制方法。本课题就是借鉴了交流同步电机的控制思想，开 发了基于 DSP 的三相混合式步进电机驱动器。
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1.2 步进电机控制系统的发展概况
1.2.1 混合式步进电机的发展概况 混合式步进电动机在结构和原理上综合了反应式和永磁式步进电动机的优点， 因此混合式步进电动机具有众多优良的性能，并且经实践证明，多种形式的步进电 机中，混合式步进电机在工业上的应用最广泛。本课题便是以混合式步进电机为研 究对象。比较常见的混合式步进电机相数为两相、三相、五相。两相步进电机结构 简单、成本低，但其存在分辨率低、易震荡、噪声大以及启动频率较低等问题。相 比之下，五相步进电机的整体性能有显著的提升，但相数过多，导致成本较高，控 制复杂。而后开发的三相混合式步进电机综合了两相和五相电机的优点，是一种实 用性很高的电机。而且三相混合式步进电机的工作原理和永磁同步电机很相似，所 以可以在三相混合式步进电机控制系统中应用永磁同步电机的控制方法。优异的性 能，较低的成本，易于实现的控制策略使得三相混合式步进电机广泛应用于数控、 纺织等领域。 在混合式步进电机系统中一般采用开环控制，这样就大大降低了系统的成本和 系统复杂度。但其缺点就是，开环控制使系统存在不可消除的振荡区，只能在使用 时尽量避开振荡点，否则速度波动很大，甚至会导致丢步。而且对启动频率有较高 的要求，即一定要有足够长的升速过程，这就极大地限制了它在速度变化率较快场 合的应用。此外，它的抗负载波动性较差，一旦出现冲击转矩，很有可能导致电机 的失步和堵转，所以一般情况下，会留有足够的裕量防止冲击转矩，但是电机的转 矩将无法得到充分的利用。这些问题的存在使得混合式步进电机闭环控制系统的研 究一步步走向了台前[3-5]。 1.2.2 混合式步进电机驱动器的发展概况 步进电动机无法通过交直流电源的供电进行工作，只能通过脉冲电源供电才能
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运行，步进电机驱动器就是这个脉冲电源。在步进电机系统的实际应用中，步进电 机和步进电机驱动器是不可分割的两部分。一定程度上讲，驱动器的好坏决定了整 个电机系统的性能。 我国步进电机驱动器的研究起步较早，但发展较慢，直到近些年才有了长足的 进步。随着微处理器技术的发展，国内开始在步进电机开环控制系统中采用单片机 控制，以求发展经济型机床控制系统。单片机控制的应用，大大提升了控制部件的 稳定性和可靠性，并大幅度降低了成本，但由于步进电机及其驱动器仍停留在较低 的水平，严重阻碍了系统的发展和实际应用。多年来，科学家们尝试了多种控制方 式，力求改善步进电机系统的性能，下面介绍几种较常见的控制方式。 （1） 单电压驱动 二十世纪六十年代，国外已经开始大量使用单电压驱动方式，它的特点是线路 结构简单、成本低。在驱动电机绕组工作过程中，只用单方向电压对电机绕组供电， 并在绕组回路中串接电阻，用来改善电路的频率特性。同时也引入了功耗大，效率 低的问题。 （2） 高低压驱动 高低压驱动是和单电压驱动同一时期出现的。这种电路通过提升驱动器的输出 电压，进而增大电机绕组中的电流加大电机的输出转矩。在初始时刻通过加大接入 绕组的电压以缩短电流的建立时间，而后接入电压维持电流稳定。此种控制方式下 电机的启动和运行频率都得到了提升。但是在高低压转换时刻电机输出力矩下降， 抖动现象明显[6]。 （3） 恒电流驱动方式 恒电流驱动方式，也称为斩波恒流驱动方式，它是一种因驱动器中的母线电压远远 高于步进电机额定的供电电压而采用斩波方式降压，并使电机绕组中的电流不受转 速影响保持在额定值的驱动方式。它利用功率电子技术解决了高低压电路中电流波 动的问题，提高了输出转矩。这种驱动方式功耗低，技术难度较低，是目前运动控 制场合广泛应用的一种驱动方式[7]。
关键词 ：三相混合式步进电机，电压空间矢量，数字信号处理器，细分驱动技术
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Abstract
The stepping motor is a popular type of motors in industrial control. It has the capability to conduct precise open-loop control without speed or position sensors, thus has been widely applied in office and factory automation applications. The hybrid stepping motor, the control object in this project, integrates the advantages of Permanent magnet stepper motor and Reaction Stepper Motor，and performs well with high precision and efficiency. However, the traditional open- loop control based stepping motors vibrate easily, generate a lot of noise, and even losing steps. Practice experience demonstrates that subdivision driving technology could efficiently increase the stability of stepping motors, and decrease both voices and vibrates as well. Since the working schemas of the three-phase hybrid stepping motor and the synchronous inductor motor are similar, the control of hybrid stepping motors could refer to the control methods for synchronous inductor motors. This research applies the FOC of synchronous inductor motors into the hybrid stepping motor control system and digitalized fulfills the subdivision control step angle of stepping motors. This article first analyzes the working schema and principles of the three-phase hybridstepping motor. Under the assumption of ignoring a number of nonlinear factors, we then propose an ideal mathematical model of the three-phase hybrid stepping motor and design corresponding control methods based on the model. Finally we build the hardware and software systems of a three-phase hybrid stepping motor driver using DSP TMS28030 as the core of controller. Experiments of the system produce satisfactory circuit waves, indicating the validity of the proposed control methods.
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基于DSP的步进电机控制器的设计

基于DSP的步进电机控制器的设计

DSP按数据格式分可分为定点DSP和浮点DSP两种，也可按用途分为通用型DSP和专用型DSP，近年来德州仪器(TI)和美国模拟器件公司(Analog Device,简称AD)都推出了专门针对电机控制领域的专用型DSP系列，TI是TMS320-2XX系列，AD则是ADMC系列，这些芯片都是定点DSP，具有普通定点DSP的运算能力和单片机般的外围设备，使得它们成为用于数字化电机控制的最佳选择。当前，DSP芯片还在快速发展中，它的处理速度正随着时间的前进而不断提高，从1982年的5MIPS(每秒百万指令)到1997年的100MIPS，再到现在的2000MIPS(多DSP单一化)，预计2007年将达到320000MIPS。DSP的价格则正走着一条相反的道路，据DSP最大的生产厂家TI公司的历史价格统计，12年来每MIPS的价格己从200美元降到了一个美元，价格的下降导致应用领域的扩大，而应用的扩大也引起价格的下降，形成了一种良性的循环。
1、采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，减小了控制器功耗；40MIPS的最高指令执行速度使得指令周期为33ns ( 30MHz )，从而提高了控制器的实时控制能力。
2、基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF2407代码和TMS320系列DSP代码兼容。
3、片内有高达32K字FLASH程序存储器，高达1.5K字数据/程序RAM， 544字双口RAM ( DARAM)和2K字单口RAM ( SARAM ) 。
5、可扩展外部存储器总共192K字空间：64K字程序存储空间；64K字数据存储空间；64K字I/O寻址空间。
6、看门狗定时器模块(WDT )：可用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按照用户设定的时间间隔产生中断。如果软件执行进入一个不正确的循环或者CPU运行出现异常时，该模块可以实现系统复位，使系统进入预定状态。
步进电机控制方案 dsp

步进电机控制方案 dsp

步进电机控制方案 DSP简介步进电机是一种常用的电动机类型，适用于需要精确定位和高扭矩输出的应用场景。

与其他电机类型相比，步进电机具有较高的位置控制精度和较低的成本。

本文旨在介绍一种基于DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）的步进电机控制方案，以实现精确的步进电机控制。

DSP介绍DSP是一种专门用于数字信号处理的芯片或系统。

其优势在于能够高效地进行信号处理、算法运算和数据处理。

DSP芯片通常带有多个高性能的计算核心和丰富的外设接口，适用于各种实时应用。

在步进电机控制方案中，使用DSP作为控制器可以实现高精度的位置控制和快速响应。

步进电机控制原理步进电机是一种需要以离散的步进角度进行控制的电机。

其控制原理基于电机内部的定子和转子之间的磁场交互作用。

步进电机的转子通过电流驱动产生磁场，定子通过相序切换实现转子的转动。

控制步进电机的关键是准确控制相序的切换和电流的驱动。

基于DSP的步进电机控制方案可以通过以下步骤实现：1.位置规划：根据实际需求，确定步进电机需要旋转到的位置。

这可以通过输入命令、传感器反馈或计算算法等方式得到。

2.相序切换：根据位置规划，确定相序的切换顺序。

相序切换是通过控制电机驱动器中的逻辑电平来实现的。

DSP通过输出控制信号控制驱动器的相序切换，从而实现电机的转动。

3.电流驱动：根据步进电机的特性和要求，确定合适的电流驱动参数。

通过DSP输出的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号和驱动电路，实现对电机相线施加准确的电流驱动。

4.反馈控制：根据应用需求，添加合适的反馈控制机制来实现闭环控制。

常见的反馈控制方式包括位置反馈、速度反馈和力矩反馈等。

DSP步进电机控制方案的优势相比传统的微控制器或PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制方案，基于DSP的步进电机控制方案具有以下优势：•高性能：DSP芯片具有强大的计算能力和实时性能，可以实现复杂的控制算法和快速响应。

利用DSP实现的步进电机控制器的设计

利用DSP实现的步进电机控制器的设计

利用DSP实现的步进电机控制器的设计数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。

数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。

在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

TMS320LF2407是TI公司主推的一种高性能、低价格DSP处理器，其处理速度达到30 MIPS,片内处理集成RAM、Flash及定时器外，还集成了A/D转换器、PWM控制器及CAN总线控制器等模块，特别适合于电机、电源变换等实时要求高的控制系统。

但是通常设计DSP程序的方法是，在DSP的集成开发环境CCS中用C语言设计，需要花费大量的时间用来编写和输入程序代码。

在Matlab中用图形化的方式设计DSP的程序，能够缩短产品的开发时间。

本文所介绍的是一种基于TMS320LF2407实现的步进电机控制系统的设计。

1 系统硬件构成整个系统分为五个部分组成：DSP中央控制器TMS320LF2407,步进电机及驱动，光电编码器，键盘及液晶显示部分，以及整个系统的外围电源电路及看门狗复位电路组成，。

在这个系统设计中，由键盘设定给定转速(位置)，通过中央控制器TMS320LF2407来产生PWM脉冲信号来控制步进电机的转速(位置)，可以采用光电编码器对步进电机的转速(位置)进行采样检测实现闭环控制，也可以采用开环控制无需转速(位置)信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。

整个硬件结构简单直观，中央控制器TMS320LF2407还剩余丰富的I/O及中断资源，在此设计基础上具有一定的扩展空间。

基于DSP 的自诊断步进电机控制系统

基于DSP 的自诊断步进电机控制系统

基于DSP的自诊断步进电机控制系统符晗，覃嘉恒，刘电霆（桂林工学院电子与计算机系，广西桂林 541004）【摘要】本文介绍了一种的新型的步进电机控制系统，采用DSP作为控制器，构建步进电机的驱动系统，并在此基础上实现细分角度和电流的实时运算。

利用其片内集成的事件管理模块通过软件实现脉宽调制。

提高了系统控制性能，实现步进电机步距角的高精度、连续细分驱动。

同时通过振动信号的分析对电机轴承进行故障诊断。

综合利用了包络检波和对FFT 频谱分析法，有效提高系统的实时性和测量精度，并实现了步进电机在运行中瞬时故障的实时监测和报警。

【关键字】DSP包络检波 FFT 步进电机PWM【中图分类号】TP273【文献标识码】A一、引言步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在数字控制系统中作为执行电动机，由专门的、可以产生一定频率、功率和时序的电脉冲的驱动器驱动。

DSP （Digital Signal Processor）— TMS320LF2407芯片作为一款定点DSP控制器尤为适合于控制系统，其所包含的事件管理模块，可较为容易的产生PWM脉冲信号，采用其作为控制核心，构建步进电机的驱动系统，极为方便的实现电机数字化控制。

本文提出了一种基于TMS320LF2407的步进电机控制系统，它与传统的单片机控制相比，能大大提高数据处理能力，更能满足实时性和控制精度的要求，并在此基础对步进电机进行故障诊断，实现在步进电机在运行中瞬时故障的监控和报警。

二、系统总体设计本系统总体是由电机控制模块和自诊断模块两部分组成，整个电机控制区模块分为四个部分组成：DSP中央控制器，步进电机及驱动，光电编码器，键盘及液晶显示部分等组成。

电机控制模块的设计如图1所示，在这个系统设计中，由键盘设定给定转速(位置)，通过中央控制器TMS320LF2407来产生PWM脉冲信号来控制步进电机的转速(位置),可以采用光电编码器对步进电机的转速（位置）进行采样检测实现闭环控制，也.可以采用开环控制无需转速（位置）信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。