韓英永

（國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，安徽 合肥 230037）

1 步進電機控制模塊概述

步進電機依據(jù)構(gòu)造、原理可分為反應(yīng)式、永磁式、混合式3種，其中混合式步進電機的性能（輸出力矩、頻率范圍、振幅及電感）具有明顯的優(yōu)勢，因此本文以混合式步進電機為例，對其進行設(shè)計研究。

混合式步進電機可實現(xiàn)永磁式的工作特性，是因內(nèi)部磁路內(nèi)裝有永磁鐵，以此保證設(shè)備的定向工作特性，其工作原理主要是通過電流輸入到設(shè)備中，由繞組產(chǎn)生的磁動與永磁鐵產(chǎn)生磁動勢的矢量和來完成相應(yīng)的動作指令?；旌鲜讲竭M電機的主體參數(shù)一般包含定子、轉(zhuǎn)子、步距角、齒距角、轉(zhuǎn)矩、頻率、轉(zhuǎn)速、電流及電壓等。

步進電機在運行過程中一般分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、動態(tài)轉(zhuǎn)矩以及暫態(tài)轉(zhuǎn)矩3種。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與功率角之間的正態(tài)分布特性，當(dāng)電機接入電流后，系統(tǒng)內(nèi)部在永磁鐵的作用下，磁密將呈正弦波，在理論值的基準(zhǔn)下，波形將與轉(zhuǎn)矩呈正比，但在實際齒槽轉(zhuǎn)矩的作用下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩將出現(xiàn)一定的誤差，進而產(chǎn)生諧波影響。動態(tài)轉(zhuǎn)矩則是以脈沖頻率為衡量基準(zhǔn)，分為轉(zhuǎn)矩特性與慣量特性兩種。轉(zhuǎn)矩特性的關(guān)聯(lián)參數(shù)為脈沖頻率的響應(yīng)時間與動態(tài)轉(zhuǎn)矩，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是在失步轉(zhuǎn)矩與牽入轉(zhuǎn)矩共同作用下而產(chǎn)生的，當(dāng)脈沖頻率為0時，失步與牽入所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩值量則為定值；當(dāng)脈沖頻率逐漸上升時，系統(tǒng)運行的負(fù)載能力則呈現(xiàn)出現(xiàn)下降趨勢；此過程也是大轉(zhuǎn)矩的獲取過程，在低速條件下，可有效減短實際加速時間。慣性特性則是以電機的初始速度為主，然后在通過慣性條件來維持自身的運行模式，但在負(fù)載慣量持續(xù)增高的過程中，電機設(shè)備的起始頻率將下降。暫態(tài)轉(zhuǎn)矩是指在轉(zhuǎn)子慣量的條件下，設(shè)備空載模式下將產(chǎn)生具備衰減特性的超越角，當(dāng)動態(tài)角最終穩(wěn)定在某一個角度下，此過程為暫態(tài)特性，其角度穩(wěn)定時間與設(shè)備性能的關(guān)聯(lián)性較大，穩(wěn)定時間越小則代表電機的性能越好。

2 步進電機驅(qū)動原理及實現(xiàn)方式

2.1 驅(qū)動原理

步進電機在運轉(zhuǎn)過程中，以內(nèi)部驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)功能化操作，其主要是通過電流對步距角進行細(xì)分，實現(xiàn)原理主要包含電流細(xì)分、步距角細(xì)分兩種。電流細(xì)分是對輸入相位的電流值進行研究，此過程不考慮轉(zhuǎn)矩的影響方式，當(dāng)相位通電后，可依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部電流傳輸特性進行分類，但由于步距角的分布形式屬于動態(tài)，此種電流細(xì)分形式未能對分辨率進行細(xì)化，進而影響系統(tǒng)內(nèi)的運行精度。步距角細(xì)分是依據(jù)磁場的總體情況，當(dāng)電機想要實現(xiàn)均勻化控制，則需對系統(tǒng)內(nèi)部電流的傳輸形式進行正確劃分，確保每一相位所產(chǎn)生的幅值為定性基準(zhǔn)，并保證脈沖產(chǎn)生的角位屬于均勻變化過程。當(dāng)磁場產(chǎn)生矢量和屬于基準(zhǔn)值時，可為脈沖切換提供緩沖平臺，令電流可部分作用于繞組中，以實現(xiàn)動態(tài)化控制，進一步細(xì)分步距角，令其產(chǎn)生階梯波，進而與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)進行同步。

2.2 實現(xiàn)方式

步進電機的實現(xiàn)方式包含PWM與SPWM兩種，但由于SPWM在控制過程中計算程序較為復(fù)雜、占用空間較大、實現(xiàn)路徑較為繁瑣，所以本文采用PWM調(diào)制。PWM調(diào)制是以控制電壓的形式來實現(xiàn)電流的同步操控，其硬件實施條件是以逆變開關(guān)為主，通過開關(guān)量的調(diào)節(jié)，令脈沖的幅值輸出達(dá)到基準(zhǔn)值，進而使其可替代波形完成相應(yīng)的工作指令。例如，在對正弦波進行替代時，由于電流輸出周期內(nèi)將產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖，通過PWM波的替代，可令系統(tǒng)獲得連續(xù)輸出值，并減少諧波所帶來的影響。PWM在進行調(diào)制時，一般是按照基準(zhǔn)值的設(shè)定來對脈沖的實際寬度進行優(yōu)化調(diào)整，如對系統(tǒng)電路進行調(diào)壓、調(diào)頻等。同時，PWM調(diào)制被稱作面積同效，即在同等面積的脈沖下，脈沖形狀不同，但在慣性力的影響下，其整體產(chǎn)生的效果是一致的。PWM調(diào)制具有易操控性、精準(zhǔn)性等優(yōu)勢，可將其作為步進電機的調(diào)制基準(zhǔn)。

3 步進電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本文采用控制芯片為TMS320F系列，軟件開發(fā)環(huán)境為CCS。數(shù)字信號處理的開發(fā)環(huán)境包含非集成式與集成式兩種。非集成式開發(fā)環(huán)境工作形式較為獨立，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享效率存在一定的局限性，在經(jīng)濟、工藝角度來看，開發(fā)效率較低；集成式開發(fā)環(huán)境則具備較大的工作容量，可對數(shù)據(jù)信息進行高效率分析，與非集成式開發(fā)環(huán)境相比，在經(jīng)濟以及技術(shù)層面具有較大的優(yōu)勢。

CCS可為系統(tǒng)提供一體化平臺，包含程序的建立工具、配置、優(yōu)化、分析、全過程監(jiān)督等，以確保工作人員可對程序進行多功能操作。CCS代碼生成模塊包含編譯器，可將系統(tǒng)的編碼譯為源代碼；匯編器則對系統(tǒng)的源文件進行自主識別，確保其可被機器設(shè)備進行識別；連接器是一種指向型模塊，可將系統(tǒng)與目標(biāo)文件進行連接，并依據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的工作情況進行自動調(diào)節(jié)；歸檔器是對系統(tǒng)內(nèi)運行的文件進行采集，并可對數(shù)據(jù)庫中的文件進行刪減、增加、替換等操作；指令轉(zhuǎn)換程序是對源文件中的程序進行標(biāo)記，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字指令；數(shù)據(jù)庫運行是為設(shè)備的接口函數(shù)、運行函數(shù)、程序函數(shù)等提供平臺；交叉列表是對列表文件中的程序進行精準(zhǔn)定位，確定符號的最終顯示位置；絕對列表可將輸出文件進行轉(zhuǎn)變，并對文件進行匯編，確保列表文件中含有絕對地址。

控制芯片在對軟件程序進行控制時，其C語言程序文件應(yīng)以c類型、ASM類型、b類型、CMD類型為主，以保證系統(tǒng)可實現(xiàn)C語言控制、節(jié)約空間、提升速度、重復(fù)分配、指向型命令等。CCS運行步驟為文件導(dǎo)入—自動配置—程序識別運行—程序下載，通過文件在系統(tǒng)中周期性運行，可不斷對自身程序進行調(diào)整，以滿足系統(tǒng)的工作需求。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 主程序設(shè)計

在對主程序進行設(shè)計時，由于屬于邏輯性控制的一種，程序在運行過程中，各項操作模塊應(yīng)處于初始化位置，當(dāng)程序的指令依次下達(dá)后，各項操作模塊依據(jù)上位操控系統(tǒng)的指令下達(dá)來對電機的運行模式進行操控。通過順序性的操控模式，可將各項指令逐層下達(dá)，進而確保系統(tǒng)運行的完整性。在對主程序設(shè)計時，將中斷的軟模式與硬模式結(jié)合，可減少系統(tǒng)運行所受的干擾，并為信號提供實時傳輸?shù)谋Ｕ?。若程序運行失敗，則可通過下一循環(huán)的中斷模式進行自動恢復(fù)，其程序設(shè)計如圖1所示。

3.2.2 子程序設(shè)計

子程序設(shè)計是以模塊形式為主。首先，通用型接口（GPIO）在設(shè)計過程中，主要是對多路徑選擇器、寄存器等進行設(shè)計，以決定接口引腳的配置形式，其他設(shè)計形式則與單片機相似。其次，PWM程序設(shè)計。PWM波的主要是由管理器來決定的，波形的產(chǎn)生形式一般以定時器為主，以寄存器與輸出邏輯為載體，進而對PWM波進行輸出。PWM波程序設(shè)計如圖2所示。

圖1 主程序設(shè)計圖（喂狗代表一種輸出型定時器）

圖2 PWM生成程序

PWM波在輸出過后，將立刻進入下一循環(huán)周期，系統(tǒng)的時鐘初始化應(yīng)為80 MHz，定時器的基準(zhǔn)因子為1，程序的計數(shù)周期為1/38 μs，以保證定時器中斷時間內(nèi)波形的低電平位處于有效狀態(tài)。再次，正余弦函數(shù)基準(zhǔn)制定。當(dāng)系統(tǒng)的各項值量范圍確認(rèn)后，還應(yīng)對給電流的細(xì)分形式進行確認(rèn)，以滿足步進電機的控制需求。為保證正余弦函數(shù)的計算時間可與系統(tǒng)響應(yīng)時間相一致，應(yīng)將正余弦函數(shù)計算表存儲在芯片的系統(tǒng)中。通過此種方法，可保證確定電流時，只需要通過地址的輸入，便可得出電流細(xì)分的程度。因此，在利用數(shù)字信號控制進行系統(tǒng)契合時，字長選取長度為8位（字長選取長度越長，則代表實際測量值精度越高），定點數(shù)標(biāo)值為Q7。由于本文采用的最大細(xì)分程序為128位，即正弦波被分成128個節(jié)點（1/4正弦波所產(chǎn)生的），因此正弦函數(shù)表的512節(jié)點程序設(shè)計如下：

最后，串行通信接口（SCI）是實現(xiàn)模塊之間的信息傳遞，以保證系統(tǒng)運行的流暢性。本文采用的設(shè)計模式為全雙工形式，在SCI的緩沖型工作模式下，可確保系統(tǒng)的信息接收以及發(fā)送功能處于實時狀態(tài)。SCI設(shè)計流程如圖4所示。串口通信接口的波特率為9 500 b/s，通信數(shù)據(jù)格式為1位、數(shù)據(jù)位為8。

圖3 SCI流程圖

4 步進電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 整體架構(gòu)

步進電機控制系統(tǒng)硬件的整體架構(gòu)如圖4所示，可分為主操控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、邏輯電路模塊、保護電路模塊、驅(qū)動電路模塊及檢測電路模塊[1]。通過上位機與控制芯片進行信號的反饋式傳輸，并由邏輯電路模塊對信號進行綜合，驅(qū)動電路模塊提供信號源。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對芯片的細(xì)分值信號進行轉(zhuǎn)換，并與保護電路模塊的電流進行綜合，以實現(xiàn)防護作用。檢測電路模塊的相位電流檢測模式，可將電路進行放大，并與DSP系統(tǒng)的加載電流、電壓進行比對，若電流、電壓傳輸范圍小于DSP系統(tǒng)的基準(zhǔn)值，則設(shè)備可進行正常工作，反之則自動停止工作[2]。

圖4 步進電機控制系統(tǒng)硬件的整體架構(gòu)

4.2 外圍電路

外圍電路一般包含電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路及串口電路等。DSP系統(tǒng)的供電形式較為復(fù)雜，依據(jù)其工作模式一般以多電源供電為主。由于接口的供電電壓為3.3 V、系統(tǒng)自身的內(nèi)電壓為1.8 V、基準(zhǔn)供電壓為5 V，因此需通過電壓轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)電壓值的轉(zhuǎn)換[3]。時鐘電路則是一種信號定位系統(tǒng)，一般由晶體振蕩器和時鐘源組成。本文時鐘電路則是以晶體振蕩器為主，外部振頻為35 MHz，最高可拓展為10倍。復(fù)位電路則是采用傳統(tǒng)的手動復(fù)位模式，結(jié)合RC電路來實現(xiàn)復(fù)位操控。串口電路的位電平平衡芯片采用的MAX3131型號，具有低功耗、高性能、高精度等優(yōu)勢，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)的位電平轉(zhuǎn)換。

4.3 邏輯電路

邏輯電路是對系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM波與相位信號進行綜合，由于邏輯順位形式較為簡便，本文采取的邏輯器件則以雙列直插式邏輯門進行設(shè)計，以簡化設(shè)計步驟。邏輯門的內(nèi)部工作形式如圖5所示，此類邏輯中的A引腳分別對應(yīng)PWM波，（即A1對應(yīng)PWM1，A2對應(yīng)PWM2，以此類推），B引腳對應(yīng)相序信號，通過兩路信號的同步進給，可形成斬波信號，以對后期程序的開關(guān)量進行控制。當(dāng)PWM信號、相序信號結(jié)合時，可依據(jù)DSP系統(tǒng)對電機設(shè)備的開合形式進行控制。

4.4 轉(zhuǎn)換電路

轉(zhuǎn)換電路是對細(xì)分值進行信號轉(zhuǎn)變，由于上位系統(tǒng)傳遞下來的是8位值，因此需依據(jù)信號的傳輸形式采用雙電路轉(zhuǎn)換模式，以確保系統(tǒng)中的正余弦函數(shù)存儲量可進行正常讀取。由于轉(zhuǎn)換電路的工作電壓為15 V，與其接觸的關(guān)聯(lián)電容應(yīng)設(shè)定為平等值，以保證電路系統(tǒng)正端與負(fù)端可實現(xiàn)等壓條件下的同步運行[4]。

圖5 邏輯圖示

4.5 驅(qū)動電路

系統(tǒng)的驅(qū)動電路是由兩種芯片進行聯(lián)合驅(qū)動（L6506、L298），其連接形式如圖6所示。其中L6506芯片起到模擬量的連接作用，確保DSP系統(tǒng)內(nèi)函數(shù)表轉(zhuǎn)換量的接收形式，內(nèi)部的5～8引腳則是對主控制芯片的斬波信號進行接收；4號位引腳與通用型接口相連接，令其接收PWM波周期變化內(nèi)的電壓位值，以實現(xiàn)持續(xù)性供電，進而減少系統(tǒng)運行的損耗，減低內(nèi)部能量變動所形成的諧波干擾；芯片的下位引腳（10、15）則是通過電路放大與芯片L298相連接，以接收芯片的反饋信息。在反饋信息的作用下，當(dāng)反饋電壓值與基準(zhǔn)電壓值相符時，芯片將進行自動復(fù)位。此時功率開關(guān)也將處于斷開狀態(tài)，周期運轉(zhuǎn)內(nèi)的電流呈衰減趨勢，然后進入下一循環(huán)周期，以實現(xiàn)繞組細(xì)分。

4.6 保護電路

保護電路的設(shè)計原則是以系統(tǒng)內(nèi)部低電壓為基準(zhǔn)，通過芯片的反饋形式來進行自動化切斷，以保證系統(tǒng)的安全運行[5]。文中的芯片聯(lián)合工作形式所提到的反饋信息等壓模式，則為整體電路提供防護作用，其內(nèi)部電阻反饋形式一般以電流值為主。因此，保護電路的設(shè)計可由電壓防護方面入手，通過電壓值的設(shè)定來對電路進行間接保護。傳統(tǒng)的保護電路一般以放大電路為主，在基準(zhǔn)值的設(shè)定下，依據(jù)反饋信息來對系統(tǒng)的運行模式進行控制。此種保護方式是按照電路的基本運行模式為主，但在實際操作過程中，將增加系統(tǒng)運行的負(fù)擔(dān)。因此，保護電路的設(shè)計則是以L6506芯片為主，通過內(nèi)部信息的傳導(dǎo)來實現(xiàn)系統(tǒng)的判定，以對高電流的輸入量進行有效限制。

圖6 兩種芯片的連接形式

4.7 自檢電路

自檢電路采用的是光電編碼器，為信號的傳輸模式提供參考值，以減少系統(tǒng)的電磁干擾。光電編碼器通過接口對上位系統(tǒng)的輸入波形進行隔離，使模擬信號可在系統(tǒng)中正常運行，進而實現(xiàn)DSP系統(tǒng)的對接傳輸[6]。數(shù)字模擬信號系統(tǒng)中的定時器可對脈沖的數(shù)量進行獲取，為定時器提供數(shù)值基準(zhǔn)，進而為系統(tǒng)周期性運轉(zhuǎn)提供時間值，以決定步進電機的步距角、轉(zhuǎn)速等。

5 結(jié) 論

文章對步進電機的控制系統(tǒng)進行了概述，通過驅(qū)動原理以及實現(xiàn)方式對步進電機的模式進行了研究，并對步進電機控制系統(tǒng)進行了硬件與軟件方面的設(shè)計。在軟件設(shè)計方面，主要通過主程序與子程序的設(shè)計來提升步進電機系統(tǒng)運行的流暢性以及數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)木珳?zhǔn)性；在硬件設(shè)計方面，則是通過各項電路模塊、通信接口、硬件驅(qū)動等來對電流及信號的傳輸模式進行規(guī)劃，以確保數(shù)字信號可與操控指令形成精準(zhǔn)對接，進而提升系統(tǒng)運行的質(zhì)量。