传感与控制-DSP的三相步进电机脉冲细分控制器设计介绍_图文

第 6 卷第 2 期 江 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) Vol. 6   . 2 No             Ap r.   2007 年 4 月 2007 Journal of Southern Yangtze University( Natural Science Edition)

  文章编号 :1671 - 7147 ( 2007) 02 - 0189 - 04

基于 DSP 的三相步进电机脉冲细分控制器设计
( 浙江大学 电气工程学院 , 浙江 杭州 310027)

摘   : 混合式步进电机的工作原理类似于永磁同步电机 , 完全可以引入同步电机的先进控制方 要 法 . 从同步电机控制的角度来控制步进电机 , 就从根本上跳出了步进电机细分控制是对相电流控 制的限制 ,实现了全新的脉冲细分控制 . 基于这一理论开发出以电机控制专用的数字信号处理器 芯片 TMS320L F2407 为核心的三相混合式步进电机脉冲细分控制器 . 关键词 : 混合式步进电机 ; 脉冲细分 ; 数字信号处理器 ; 永磁同步电机 ; 电压空间矢量 中图分类号 : TP 302. 1 ; TP 273

Abstract :Hybrid stepping motor is similar to permanent magnet synchro no us moto r in f unctio nal p rinciple , t herefore , it can be co nt rolled by t he advanced co nt rol technology of permanent magnet synchro no us motor . A new co nt rol met hod is o btained f ro m co nt rol at aspect of synchro no us motor instead of co nt rol of p hase currency. A t hree Οp hase hybrid stepping moto r p ul se subdivisio n co nt roller based o n TMS320L F2407 DSP is designed based o n t his t heory. motor ; space vector p ul se widt h modulatio n
与制造等研究 . Email :ygf @cee. zju. edu. cn

Key words : hybrid stepping motor ; p ul se subdivisio n ; DSP ; permanent magnet synchro no us

   将矢量算法引入步进电机控制实现脉冲细分 , 步进电机步距角的细分及将转子锁定在一个特定 的位置 ,是通过电压空间矢量 ( Space Vecto r Pulse Widt h Modulatio n ,SV PWM ) 的旋转和静止来实现 的 . 从同步电机控制的角度来控制步进电机 , 这从
   收稿日期 :2005 - 05 - 10 ;   修订日期 :2005 - 09 - 29.

   作者简介 : 仲科 ( 1979 - ) ,男 ,浙江杭州人 ,控制理论与控制工程专业硕士研究生 .

  3 通讯联系人 : 颜钢锋 (1959 - ) ,男 ,浙江永康人 ,教授 ,博士生导师 . 主要从事计算机信息系统 、 计算机辅助设计

Design of a ThreeΟ Phase Hybrid Stepping Motor Pulse Subdivision Controller Based on DSP
(College of Elect rical Engineering ,Zhejiang U niversity , Hangzhou 310027 , China)

ZHON G Ke ,  YAN GangΟ feng 3

仲  ,   科 颜钢锋 3

根本上跳出了步进电机细分控制是对相电流控制 的限制 ,实现了全新的脉冲细分控制 . 作者以电机 控制专用的 DSP 芯片 TMS320L F2407 为核心 , 开 发出三相混合式步进电机脉冲细分控制器 . 文中介 绍了整个系统的硬件平台 、 控制原理及驱动软件 .

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    南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)             6 卷   江 第 理想的三相电流 ;在其中的两相上串联了两个阻值很 小的电阻 ,取其两端电压经隔离放大作为反馈电流值 反馈给 DSP 控制器 ,参与计算 PWM 波的输出[ 2Ο3 ] . 驱 动板的硬件电路原理见图 2.
图2  驱动板的硬件电路原理图
Fig. 2  H ardware circuit of driver

1  电机控制板及驱动板的设计
1. 1  TMS320LF2407 控制板设计

考虑 到 应 用 的 需 要 , 控 制 板 几 乎 开 发 了 L F2407 所有功能 ,由于芯片引脚有限 , 选用型号为 cy37064 的复杂可编程逻辑器件 ( CPLD ) 对其进行
IO 端口的扩展 . DSP 和 CPLD 通过地址/ 数据/ 控

制总线通信的方式进行耦合 ,CPLD 负责键盘扫描 、 几路外围芯片的片选信号和系统异常中断信号[ 1 ] . 控制板的硬件原理见图 1.

2  控制策略及算法
2. 1   系统控制策略

此系统采用的控制策略是矢量控制 , 使用单闭 环Ο 电流闭环的控制方式 [ 4 ] . 在给定转子磁链的位置

图 1  TMS320LF2407 控制板的硬件电路原理图
Fig. 1  H ardw circuit of TMS320LF2407 controllor are

1. 2   电机驱动板电路构架

控制的对象是三相脉冲细分步进电机 ,首先必须 将 220 V 的交流电通过整流桥和大电容变成直流电 , 然后接入三相逆变桥. 为了安全起见 ,由电机控制板 输入的脉宽调制信号 ( PWM) 波经过光电隔离 ,控制 逆变桥的驱动电路 ,使逆变桥输出驱使步进电机运作

和两相电流的情况下 ,该控制算法通过坐标变换和 PI 调节 ,实时控制步进电机的磁场和转矩 , 从而高 精度 、 高效率地控制电机 . 从给定的主序脉冲序数 k 和起始位置可以求出转子磁链位置θ , 参考电流 cm is d ref ( 磁链参考量 ) 和 isq ref ( 转矩参考量) . 从逆变桥 取出的两相反馈电流 i a 和 i b , 通过 ( a , b , c) → (α, β →( d , q) 变换后得到 is d 和 i sq , 成为参考电流 is d ref ) 和 isq ref 的比较量 . 电流量通过比较后经 PI 调节就输 出电压参考量 V sq ref 和 V s d ref , 经过相应的坐标变换 ( d , q) → (α,β , 就可以获得 vsαref 和 vsβref , 为调制 )
PWM 波所用 ( 见图 3) .

图3  三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统结构

2. 2   系统调制方式

本系统的调制方式采用目前较为流行的电压 空间矢量法 ,该方法的目的就是通过对逆变器开关

Fig. 3   Structure of threeΟ phase hybrid stepping motor pulse subdivision driver system

状态的合理组合 ,来获得实时的参考电压 U out , 具体 算法[ 5Ο6 ] 如下 : 设 vDC 为逆变器提供的母线电压模型 , 定义常量

  2期 第
v DCin vT =

仲科等 : 基于 DSP 的三相步进电机脉冲细分控制器设计
T

191

2 v DC

其中 , T 为 PWM 周期 , 并且定义变量 :
vref 1 = vsβref ; vref 2

3  软件设计
步进电机的系统控制软件由初始化主程序和 4 个中断服务程序组成[ 7Ο8 ] . 主程序主要负责 DSP 的 系统初始化和各变量的初始化 ( 流程见图 4 ) ; 4 个 中断服务程序包括 : PWM 中断子程序 、 Xint0 中断 子程序 、 PDPIN T 中断子程序和掉电中断子程序 .
图4  主程序流程图
Fig. 4  Flow chart of main program

1 ( = 3 vsαref - vsβref ) ; 2 1 ( 2 3 vsαref - vsβref ) ;

vref 3 =

X = 3 v DCin v T v sβref ; Y = Z =

3 3 v DCin vT v sβref + v DCin vT v sαref ; 2 2 3 3 v DCin vT v sβref v DCin vT v sαref . 2 2

  第一步根据 vref 1 , vref 2 , vref 3 来确定 vsαref 和 vsβref 的扇区位置 : 设 S 代表当前的扇区 ; A , B , C 为过渡 变量 , 那么 , 若 vref 1 > 0 :则令 A = 1 , 否则 A = 0 ; 若 vref 2 > 0 :则令 B = 1 , 否则 B = 0 ; 若 vref 3 > 0 :则令 C = 1 , 否则 C = 0 ; 则 S = A + 2 B + 4 C. 第二步 :根据 vref 1 , vref 2 , vref 3 和 S 来确定相应的 时间 ( t1 和 t2 为过渡变量) : S = 1 , t1 = Z , t2 = Y ; S = 2 , t1 = Y , t2 = - X ; S = 3 , t1 = - Z , t2 = X ;
S = 4 , t1 = - X , t2 = Z; S = 5 , t1 = X , t2 = - Y ; S = 6 , t1 = - Y , t2 = - Z.

若 ( t1 + t2 ) > Tpwm , 则令
t1 = t1 Tpwm Tpwm ;  t2 = t2 t1 + t2 t1 + t2

  第三步 :根据计算所得的 t1 和 t2 来计算主辅零 矢量的作用时间 :
t - aon = Tpwm - t1 - t2

2

;

  PWM 中断服务子程序的主要任务是 : ( 1) 负责 A , B 两相的电流值的采样 , 并且实现
A/ D 转换 ;

tbon = taon + t1 ; tcon = tbon + t2

( 2) 由主序脉冲序数计算出位置和参考电流

   第四步 : 将计算所得的时间根据一定的法则放 入相应的比较单元 . 法则如表 1 所示 .
表1  时间投放法则
Tab. 1  Rule of time putting

信息 ; ( 3) 根据测量值进行矢量变化和计算 ; ( 4) SV PWM 输出 . 整个子程序的流程见图 5.   XIN T0 中断服务子程序的任务是由步进信号 和方向信号计算出主序脉冲序数的 ; PD PIN T 中断 服务子程序的任务是实现转矩解锁 . 一般步进电机 在停机的时候都锁住转矩 ,当需要移动传动机构时 ( 这在纺织器械中比较常见 ) , 则需要转矩解锁 . 掉 电中断服务子程序是在系统突然掉电时 , 将系统的 位置信息 、 主脉冲序数等保存进掉电不失的 I2 C 存 储芯片中 , 并且写入非正常关机的信息 , 以备再次 上电的时候恢复当前信息 , 这也是步进电机和其他

单元 寄存器
CMPR1 CMPR2 CMPR3 1 Tbon Taon Tcon 2 Tao n Tco n Tbo n

当前扇区
3 Taon Tbon Tcon 4 Tcon Tbon Taon 5 Tco n Tao n Tbo n 6 Tbon Tco n Tao n

注    :根据 S 的值 ,将第三步计算所得的时间放入相应比 较单元寄存器 .

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    南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)             6 卷   江 第 电机相比较特殊的一个地方 . 这 3 个中断子程序相 对比较简单 ,故不给出流程图 .

4    结 语
本设计充分利用了 DSP 片内丰富的外设 ,并将 其应用于控制三相混合式步进电机脉冲细分驱动 系统 . 采用电压空间矢量实现脉冲细分时 , 转矩分 布均匀 , 细 分 步 距 角 精 确 度 高 , 输 出 电 流 正 弦 性 较好 . 此结果表明 ,混合式步进电机的控制特性非常 接近交流永磁同步电机 ,可以借鉴同步电机的控制 方法来提高步进电机的控制性能 . 采用矢量算法可 以实现步距角高精度细分 ,同时改善步进电机的启 动性能和减少低频噪声 . 在工业现场中 , 可以利用 扩展板上开发的控制器区域网 ( CAN ) 总线接口 ,实 现所有驱动器联网控制 .

图 5  PWM 中断子程序流程图
Fig. 5  Flow chart of PWM interrupt program

参考文献 :
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   L IN RuiΟ ,SUN XingΟ rui jin. Subdivision current wave of stepping moto r and it s implementatio n [J ] . Journal of Shanghai

( 责任编辑 : 杨   ) 勇


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