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。

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。

图1 步进电机驱动原理图
在传统步进电机的控制电路中，步进电机的转动常采用方波脉冲来进行控制，通过控制脉冲的频率、个数等，从而控制电机的转速、转向、位移等。

但是电机在工作过程中，由于各种原因可能会产生共振，影响电机低频、低速时的工作特性，为了避免电机工作的共振点，改善电机在低频低速时的工作特性，并进一步提高步进电机的控制精度，通常用细分电路来解决这一问题。

要使细分数提高就必须控制步进电机中各相励磁绕组电流,使其按阶梯方式升降,出现多个电流中间稳态,使得磁场矢量幅值也出现多个中间稳态值,合成磁场同样将出现这样的稳态值,转子就沿着这样的中间值以微步距转动。

脉冲细分方式有多种，但最佳方式是采用等步距角，等转矩的运行方式
()
sin .sin .cos cos .sin A m B m I I I I θβθβθ⎧=⎪⎨=−⎪⎩ 其中：m I 是电机的额定电流，θ是合成磁场矢量与A 相磁场矢量的夹角，β是相邻两相绕组单独通电时产生的磁场矢量的夹角，三相步进电机的β值一般为2/3π。

根据以上分析，我们就可以构建三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统，控制策略采用矢量控制，系统框图如图2所示
图2 脉冲细分驱动系统框图
在给定转子磁链的位置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，从而就能高精度、高效率的控制电机。

转子磁链的位置可以通过转子的机械位置求得，而转子机械位置可以通过主序脉冲序数k 和起始位置求得。

两相反馈电流d i 和b i 通过(),,a b c ()(),,a d q β→→变换，输出sd i 和sq i 作为反馈量使用,作为电流模型的输入，作为参考电流sdref i (磁链参考量)和sqref i （转矩参考量）的比较量。

电流量通过比较以后，在经过PI 调节就输出电压参考量sqref V 和sdref V ，在经过相应的传票变换()(),,d q αβ→，就可以获得sqref V 和sdref V ，而此两个量刚好是电压空间矢量法的矩阵输入，至此整个矢量控制就此完成了。

自诊断功能模块的设计
电机和其他所有机器设备一样，在运行过程中有能量、热量、磨损、振动等各种物理和
化学参数的传递和变化，这些信息变化直接或间接地反映出电机的运行状态，而振动信息(位移、速度、加速度)能够敏感地反映电机的运行状态。

利用振动诊断法可以有效地诊断出电机的故障。

步进电机故障的诊断，关键问题是如何把各种有用的故障信息分离出来。

例如当滚动轴承在运行过程中易发生局部损伤，当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中每当滚动体碾压到故障点，就必然产生一个能量发散范围广，能量分量很小的冲击，但由于冲击脉冲力的频带较宽，其中必然包含滚动轴承的内、外圈和滚子等元件各自固有频率激发的相应的高频固有振动，为了有效除去高频和低频的干扰，可以利用其截止频率等于该固有频率的带通滤波器将该共振解调信号分离出来，然后通过软件或用电路对这些衰减振荡波进行包络解调，去除高频衰减振动的频率成分，获得只包含故障特征信号的低频包络信号，通过DSP对该包络信号进行频谱分析，可得到很高的频率分辨率，并方便地找出对应的故障冲击的发生频率，便可以对轴承故障进行诊断，振动信号处理的整个过程如图3所示。

图4 包络检波电路图
其工作原理是：当载波正半周时，二极管导通，给电容器充电，由于充电时间常数很小，所以很快充电到输入信号的峰值。

当输入信号下降时，电容器上的电压大于输入信号电压.二极管反向截止。

电容器通过电阻R缓慢放电。

当下一个正半周时，从输入信号电压大于电容器上的电压时，开始二极管重新导通，再一次对电容充电，直到新的周期的峰值为正。

整个过程如图所示。

时间常数RC在满足1/ ω0≤RC≤ωm的情况下，包络检波器的输出基本上与输入信号的包络变化呈线性关系。

在完成以上的故障信号的预处理部分后，通过DSP的片内的A/D转换模块，把模拟信号转化成数字信号，通过DSP对振动信号进行FFT频谱分析，并与外接在DSP外围的故障数据缓存器中的数据进行比较，从而得到故障诊断结果，并将其进行显示和声光报警。

这样能预先发现故障，以避免设备在生产作业中造成巨大损失。

三、系统的软件设计
系统控制软件的设计包括主程序和中断程序两大部分，主程序主要负责DSP的系统初始化、开机状态判别、各个变量的初始化和中断等待等任务。

一个部分是用于步进电机的控制，产生所需要的SVPWM波形；第二个部分是对提取的故障振动信号进行频谱分析，以
下主要对FFT 算法实现子程序进行分析。

FFT 是实现傅立叶变换的快速算法，它在信号分析和处理领域有着广泛的应用，成为了实现众多复杂功能的基础算法，可以说，在当代工业和科研的几乎所有领域都能见到FFT 算法的成功应用。

例如，在谐波分析方面，我们可以通过实时地检测从接触网下来的电压和电流信号，计算出对应的谐波含量，并得出机车系统的功率因数；在振动方面的应用，我们可以结合振动诊断技术，将加速度传感器用于测量车体振动、轴承振动等地方，然后对传感器的输出信号进行频谱分析，可以实现对车体振动分析和对电机轴承的动态检测和故障判断。

离散FFT 运算的输入和输出一般均是复序列，如果输入序列()x n 是按时间抽取（DIT ）实数序列，其DFT 为：()()10N nk N n X K x n W
−==∑，式中：k=0,1,…,N-1,N W =.2/j N e π−是旋转
因子。

如图5所示，这便是通过DSP 实现的FFT 算法的中断子程序流程图。

全部计算分为2log M N =每级(每次迭代) 都有N /2个蝶形运算单元。

在第m 级(m= 0,1,…,M-1),有：
[][][][]111111111111()()()()r m m N m r r r r r r m m N m r r r r r P P W Q P Q W QW j P PW Q W Q P W Q P Q W QW
j P PW Q W ++⎧=+=+−+++⎪⎨=−=−−+−+⎪⎩
图5 FFT 实现的程序流程图
四、结束语
传统的步进电机控制是通过单片机来实现的，但如果采用矢量控制策略来控制电机，单片机所表现出的数据处理能力较弱、实时性较差等特点，所以本文采用了以DSP 为控制核心进行对步进电机的控制，在矢量控制的基础上采用脉冲驱动系统提高了电机的控制精度，同时充分利用了DSP 强大的数据处理能力，增加了对步进电机振动信号的监控，并对其振动信号进行频谱分析，实现实时的故障诊断，对设备状态做出实时评价。

这样不但可以判断和识别设备的工作状态和故障，而且可以对故障进行早期预报。

本文作者的创新点：利用DSP 的事件管理模块对电机进行矢量控制，实现脉冲细分驱动，并利用DSP 强大的数据处理能力，对振动信号进行监测，得到故障信号并对其识别，可以对可能发生的故障进行早期预防。

参考文献
[1] 王成元等.电机现代控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 田红芳，李颖宏等．基于DSP实现的步进电机控制器的设计［J］．微计算机信息，
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[3] 刘和平，邓力等.DSP原理及电机控制应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006
[4] 雷继尧，丁康.轴承故障诊断[M].西安：西安交通大学出版社，1991
DSP- based Auto Measure Device in Fault Diagnosis for
Stepping-Motor
FU Han, QIN Jia-heng, LIU Dian-ting
(Department of Electronic Computer Science, Guilin University of Technology, Guilin
541004,China)
Abstracts: Presented a new structure of the stepping-motor controller based on DSP, Using the event mangaement unit integrated in the chip leads to pulse width modulate by programming. this driversystem's application have proved that it simplified the circuit, improved the system characteristic, and the stepping motor gains high accuracy, contimuous subdivision driver. According to the analysis of vibration sign , using the envelope demodulation and FFT methods, improved the calculation precision for the rolling bearing diannosis .The responding time delay of conventional circuit in the monitor system was effectively improved. The sensitivity and resolution of the monitoring and alarming system for the instant fault were also improved for the running stepping-motor.
Keyword: DSP envelope demodulation FFT stepping-motor PWM
基金项目名称：广西区科技攻关项目（桂科攻0719001-17）、 广西区科技攻关项目（桂科攻0537020-3-1）广西科技厅颁发
作者简介：符晗(1980-)，男(汉)，江西广昌人，硕士研究生，研究方向：制造业信息化，软件工程； Author brief introduction：FU Han(1980-),Male, Lecturer, Postgraduate student. Research: Manufacturing industry informationize, software engineering
导师简介：刘电霆 (1966-),男(汉),江西吉安人,副教授,硕士生导师，主要研究方向:自动化技术，先进制造技术;
Mentor brief introduction：LIU Dian-ting (1966-),Male, associate professor, Research: Automation technology , advanced fabrication technology;。