王彬

摘要：基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，采用光電編碼器反饋檢測(cè)信號(hào)和專用大功率驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的外圍硬件結(jié)構(gòu)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。因此，本文就基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行探討，重點(diǎn)介紹了其設(shè)計(jì)流程，并根據(jù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的實(shí)際問題進(jìn)行了分析和提出具體措施，為DSP步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī);閉環(huán);DSP

前言

步進(jìn)電機(jī)快速啟動(dòng)和步進(jìn)精確，用于數(shù)控刀具的高速定位系統(tǒng)中，由于定位和速度控制要求高，主芯片為單芯片，在控制系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性和處理速度方面限制了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和速度，采用東芝THB664H專用驅(qū)動(dòng)芯片與DSP主控制芯片。

一、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.DSP介紹

DSP是一種數(shù)字信號(hào)處理器，是一種微處理器，旨在實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。TI公司的TMS320F2812是本文選定的主控制芯片。此芯片結(jié)合了豐富的外圍模塊。芯片內(nèi)是一個(gè)快速RAM，為增強(qiáng)的哈佛線結(jié)構(gòu)，可以通過單獨(dú)的總線并行使用多個(gè)內(nèi)存。

2.系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

DSP根據(jù)計(jì)算出的差異數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)操作，向其發(fā)送位置脈沖和方向脈沖信號(hào)。通過電機(jī)位置的實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制裝置在刀具的快速、準(zhǔn)確的監(jiān)控和定位。在本文中，DSP控制系統(tǒng)通過控制兩個(gè)56BYG250C兩相步進(jìn)電機(jī)來控制工具向X和Y方向的位移。

二、硬件與電路的設(shè)計(jì)

1.串口通信電路設(shè)計(jì)

串口通信模塊的SCI接口使用兩條導(dǎo)線的異步通信接口。系統(tǒng)DSP控制單元應(yīng)與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)的高低電平為±12V，DSP在0～3.3V之間，因此該電平轉(zhuǎn)換是強(qiáng)制性的。該系統(tǒng)使用通用的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，在分壓器進(jìn)一步產(chǎn)生3.3V電壓后，其輸出電平直接連接到DSP引腳。

2.功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

THB664H專用于驅(qū)動(dòng)芯片，通過簡(jiǎn)單的外圍電路可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的多部分、高流量電路。內(nèi)置過熱保護(hù)和電源檢測(cè)，帶4位8檔子區(qū)域控制（1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64）。

HC-PL2530高速光電耦合器分離信號(hào)，不僅補(bǔ)充了控制信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了器件之間的高效絕緣，而且修改了控制信號(hào)，提高了系統(tǒng)的整體控制精度。在裝配電路設(shè)計(jì)中，光電耦合隔離模塊電源應(yīng)分開，且設(shè)置獨(dú)立電源。

3.查明風(fēng)險(xiǎn)和控制措施的實(shí)施

及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別系統(tǒng)容易出現(xiàn)問題的點(diǎn)，采取有效的控制措施，風(fēng)險(xiǎn)就可以避免。首先，結(jié)合具體情況，確定系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。第二，為了制定針對(duì)已查明的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的措施，進(jìn)行檢查與排除。第三，在使用中，監(jiān)控控制措施，確保每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處于受控狀態(tài)。四是在日常工作中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，制定控制措施，及時(shí)消除問題，提高效率。

三、軟件設(shè)計(jì)

1.步進(jìn)電機(jī)的位置檢測(cè)

步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制元件，可將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角或線位移。在不過載的情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信號(hào)，并在所需方向的固定角度控制步進(jìn)電機(jī)。DSP2812事件管理模塊的定時(shí)器和比較單元可用于生成兩個(gè)電機(jī)所需的定位信號(hào)脈沖。

啟用DSP事件管理器EV捕獲單元的QEP模塊后，由光電編碼器產(chǎn)生的正交脈沖序列應(yīng)作為事件管理器中計(jì)數(shù)寄存器的時(shí)鐘源，且其應(yīng)為相差四分之一。事件管理器的計(jì)數(shù)器寄存器以電量脈沖中每個(gè)躍點(diǎn)的脈沖電荷上升的順序增加和減少目標(biāo)的輸入，該脈沖決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。電機(jī)相對(duì)于初始位置的角度如下所示：

n為計(jì)數(shù)寄存器的當(dāng)前值，n₁為計(jì)數(shù)寄存器的初始值，L為光電編碼器線數(shù)。

2.控制系統(tǒng)主程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，然后與初始位置和預(yù)定位置之間的差異進(jìn)行比較，根據(jù)位置差異估計(jì)步進(jìn)電機(jī)的下一個(gè)時(shí)刻，并通過更改I/O端口電平來控制電機(jī)控制。電機(jī)脈沖n在操作過程中的計(jì)算公式為：

式中，△為初始位置與預(yù)定的差值，r為步進(jìn)電機(jī)的步距角。

四、存在的一些問題

1.控制系統(tǒng)硬件故障

利用各種機(jī)械硬件和軟件，可以有效保證控制系統(tǒng)的順利運(yùn)行。在控制系統(tǒng)的實(shí)際操作中，如果設(shè)備有缺陷、出現(xiàn)問題，則容易顯示出異常。這些設(shè)備在給定的應(yīng)用過程中，最常見的出現(xiàn)故障的軟硬件組件就是采樣率濾波和DSP故障，這些組件容易引起運(yùn)行故障，使控制系統(tǒng)功能出現(xiàn)輕微的誤動(dòng)和拒動(dòng)效果，進(jìn)而影響其他設(shè)置的運(yùn)行效果。

2.A/D采樣中的濾波

系統(tǒng)對(duì)電流調(diào)整的精度決定了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行功率，電源閉環(huán)控制應(yīng)在A/D采樣中進(jìn)行，但在實(shí)踐中缺乏控制系統(tǒng)是不可避免的，因此在電源的A/D采樣回路中應(yīng)采用相應(yīng)的過濾措施來減少干擾。例如，在使用二階低通濾波的當(dāng)前硬件部分中，還必須使用滾動(dòng)平均濾波方法和其他類似的過濾措施來設(shè)計(jì)軟件，以進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能。

3.運(yùn)算中溢出問題的解決以及計(jì)算精度的提高

方案的計(jì)算應(yīng)考慮到運(yùn)算溢出。角度位移值和7FFFH應(yīng)相與，以避免溢出。根據(jù)計(jì)算精度，程序使用32位乘法和加法。使用DSP2812硬件16x16乘法器，需要兩個(gè)16位才能記錄乘法結(jié)果，除了乘法結(jié)果外，還需要32位，計(jì)算后從32位計(jì)算結(jié)果中選擇所需的16位。

4.日常技術(shù)維護(hù)措施

（1）各硬件部件的日常技術(shù)維護(hù)。保持電路通暢以及系統(tǒng)電壓等正常，保持液壓系統(tǒng)運(yùn)行，保持各系統(tǒng)接合、工件正常。

（2）操作人員應(yīng)進(jìn)行良好的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行后，操作員員應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的日常參數(shù)分析變化。分析后發(fā)現(xiàn)異常的，應(yīng)當(dāng)立即對(duì)異常問題進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)變更進(jìn)行必要的技術(shù)處理。同時(shí)，活動(dòng)日志將詳細(xì)存儲(chǔ)整個(gè)執(zhí)行過程中的所有數(shù)據(jù)。不斷復(fù)盤與改進(jìn)

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)分段電機(jī)運(yùn)行原理和主要特性分析，設(shè)計(jì)了配備TMS320F2812芯片的步進(jìn)硬件電路和操作軟件，實(shí)現(xiàn)控制和力集成。在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中，系統(tǒng)保護(hù)各種設(shè)備正常運(yùn)行，產(chǎn)生影響。而問題要想得到有效的控制，就要通過確保步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的整體效果，加強(qiáng)設(shè)計(jì)與檢查，利用系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和功能減少問題，有效減少步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用中的問題。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)非常高效的技術(shù)裝置，更要求設(shè)計(jì)與操作人員強(qiáng)調(diào)專業(yè)精神和長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)。

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