基于DSP的两相混合式步进电机细分驱动设计

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两相混合式步进电动机细分驱动器的设计与实现

０引言
混合式步进电动机具有运行频率高、动态力矩
大、波动小、运行平稳、无误差积累等优点，已广
１最佳细分驱动原理
步进电机细分控制的关键是按照什么样的细分
电流来控制电机绕组的电流。以两相八级混合式步进电动机为例，若一相绕组通以恒定电流，即ｊ
一
泛应用于各机电一体化设备中口，其中－ｔ］－￥混合式ｌ
步进电动机应用最为广泛。步进电动机的运行性能不但取决于电机本身，还在很大程度上取决于驱动
ｊ，由于磁导的二次及以上谐波分量较，ｊ一０
小，可忽略，则各磁极支路由Ａ相电流产生的磁
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微电机
２００６年
第３９卷
第７期（第１４期）总５
中图分类号：ＴＭ３３６８．
文献标识码：Ａ
文章编号：１０ —８８２０）７０８—４０１６４（０６０ —０４０
两相混合式步进电动机细分驱动器的设计与实现
ＬＩＭｉ — ｕｎ，ＤＩｎｙａＡＯｎｌＦｅｇ—ｉ
（＇ｎＵｎｖｒｉｙｏｃｎｌｇＸｉｉｅｓｔｆＴｅｈｏｏｙ，Ｘｉｎ７０４ａ ’ １０８，Ｃｈｎ）ａｉａ
ＡＢＴＲＡＣＳＴ：Ｔｈｓｐｐｒｄｓｇｓａｔｉａｅｅｉｎｗｏ— ｐａｅｈｂｉｔｐｉｇｍｏｏｕｄｖｓｏｒｖｒＴｈｈｓｙｒｄｓｅｐｎｔｒｓｂｉｉｉｎｄｉｅ．ｅ

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。

基于DSP实现混合式步进电机的细分驱动系统

１
（＝（ｎ）
＋
土）６。
（）２
从上式中我们可以看出：ｏＵ的变化快慢取决于周期的大小，取得越大，那么，变化的越慢；反之，得越小，取那么变化的越快。而在实际应用中，一般总是取得很小，久可以保证的这样实时性。
（或可以驱动但驱动效果很差）等缺点…。若采用数据信号处理器ＤＰＳ作为控制器，利用其强大的运算能力和优良的控制能力来改进脉冲细分步进电机驱动器，实现细分角度和电流的实时运算，实现步
距角的任意细分；利用Ｔ３０Ｆ４ｘＤＰ片内集成的ＡＤ转换器实现电流反馈的模数转换，利用片ＭＳ２Ｌ２０Ｓ／
３０７
渤海大学学报（自然科学版）
第２卷８
自ｎ这种电压空间矢量加到电机上时将产生幅值恒定、以恒速旋转定子磁链空间矢量，且定子磁链矢量顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场Ｊ。
从图２可以看出，在任意小的周期时间里面，使得逆变器的输出跟参考电压的平均输出一样，可用等式（）表示。１
又具有永磁步进电机的低功耗高效率的特点。混合式步进电机既可以用作同步电机进行速度控制，又可以用作步进电机进行位置开环控制。而目前对同步电机的控制一般采用电压空间矢量法（Ｖ－ＳＰＷＭ），这是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想圆形磁通轨迹为基准，用如图ｌ所示逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性。由图１可以看出，由于一相中上下桥两个功率管不会同时导通或关断。当一相（假设为口）相上桥通时，义此相开关状态为 “ ” 即ｓ定ｌ（ｄ＝１，）下桥通时，开关状态为 “ ” 即ＳＯ（。＝Ｏ，三相共有８种）则可能的开关状态组合（ｄ６，｛０，０，１，１，ｌ００，１１ｌ｝ｓＳＳ）即０００１０ｌ００１，１００，ｌｌ。８种开关状态中， “０ ”和 “ ｌ”被称为零开关状态，此时三相绕组被接到同样的电位上，所得有效电压为零。另外００ｌｌ６种开关状态下，三相绕组被接到不同的电位上，电机得到了有效的驱动电压口。】

基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器的研究

源自科技信息高校理科研究
基于ＤＰ的二相混合式进电ｊ多细分驱动器的研夯ＳＩｉ兀
浙江交通职业技术学院王亚嫔
［摘要】文介绍了一种基于Ｔ３０Ｆ４７ＤＳ本ＭＳ２Ｌ２０ＡＰ芯片的步进电机多细分驱动控制器的设计方案，出了系统的硬件构成和软给件设计方法。实验证明：该方案能最３￣度地利用步进电机驱动芯片的开关频率，ｖＦ－自动计算出步进电机在不同转速下的细分微步数，通过步进电机细分控制，改善电机系统的运行特性和定位精度。［关键词］ＭＳ２Ｌ２０ＡＰ多细分驱动控制器步进电机Ｔ３０Ｆ４７ＤＳ
图２功率驱动电路２２．控制部分电路的设计２２１电源电路与电平转换电路．．由于系统中同时存在数字电路和模拟电路，为保证ＤＰＡＤ转换Ｓ／模块的精度并提高系统抗十扰能力，在线路设计时采用了数字地与模拟地分开的方式。３图所示为电源电路。中芯片ＴＳ３３Ｔ公其Ｐ７３ＱＤ为Ｉ司专门为ＤＰ驱动设计的数字电源，芯片Ｉ１１ＣＴ３３是ＦｉｈｌＳＪ１７Ｓ一．Ｔａｃｉｒｄｓｍｉｎｕｔ公司生产的可调低损耗线性电源，ｅｃｄｃｏｏｒ它输出３３此处用作．Ｖ，ＤＰ的模拟电源。Ｓ
Ｏ引言．
针对目前步进电机市场需求量的增大，以及对其驱动器性能要求Ｅ益提高，ｌ现有步进电机驱动器已不能满足生产和应用需要的现状，步进电机细分驱动技术的出现，为我们设计功能强大的步进电机驱动器提供了新的可能。步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式，就能很好的解决这个问题。本文介绍了一种基于Ｔ３０Ｆ４７ＤＰ芯片的步进电机多细分驱动控制器的设计方案，ＭＳ２Ｌ２０ＡＳ该方案能最大限度地利用步进电机驱动芯片的开关频率，自动计算出步进电机在不同转速下的细分徽步数，通过步进电机细分控制，改善电机系统的运行特性和定位精度。１Ｔ３ＯＦ４７芯片简介．ＭＳ２Ｌ２０ＡＴ３０Ｆ４７ — — 电机控制用ＤＰ芯片采用哈佛结构、总线Ｍｓ２Ｌ２０ＡＳ多和四级流水线技术，得运算速度大为提高。Ｔ３０Ｆ４７Ｓ使ＭＳ２Ｌ２０ＡＤＰ有以下一些特点：（）１采用高性能静态ＣＭＯＳ技术，使得供电电压降为３３减小了．Ｖ，控制器的功耗；０Ｐ４ＭＩＳ的执行速度使得指令周期缩短到２ｎ，从而提５ｓ高了控制器的实时控制能力。（）２片内具有高达３Ｋ字的ＦＡＨ程序存储器，．Ｋ字的数据／２ＬＳ１５程序ＲＭ，４Ａ５４字的双口ＲＡＤＡ和２Ｍ（ＡＲＭ）Ｋ字的单口ＲＡｓＡ。Ｍ（ＡＲＭ）（）３两个事件管理器ＥＡ和ＥＢ，ＶＶ每个包括：两个１通用定时６位器，８个１位的脉宽（ｗＭ）６Ｐ通道，个捕获单元，内光电编码器接口电３片路，６通道ＡＤ转换器。ｌ／（）４可扩展的外部存储器总共１２９Ｋ字：４６Ｋ字程序存储器；４６Ｋ字数据存储器；４６Ｋ字的Ｉ／Ｏ寻址空间。２系统硬件设计．本系统采用Ｔ３０Ｆ４７ＳＭＳ２Ｌ２０ＡＤＰ微处理器作为核心控制器件，采用专门为两相／四相步进电机设计的Ｌ９双全桥驱动芯片作为功率２８驱动器件，结合电流、转速反馈电路等实现对两相混合式步进电机的控

基于DSP的自细分步进电机控制系统设计与实现

１
１
示。由于电机自身的转速限制，我们取步长值ｓ在ｌ８至ｌ７之间变化。２６８
制，在确保步进电机平稳、精确地运行盼爵时使电机驱动芯片工作在最佳的开关状态。
ＤＭｓ２Ｌ２０Ａ；步进电机；细分控ｓＰ．Ｔ５０Ｆ４７
宽度不同的ＰＷＭ脉冲来控制电机驱动器Ｌ９的Ｈ桥的开通和关断。最后达到控制２８电机两相电流的目的。控制原理如图ｌ所
２步进电机优化细分控制的设计原
理
２１电流矢量叵幅均匀旋转细分法．步进电机步距角细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即同时改变电机两相电流ｉ和ｉ的大小，这种方法从理论上消除了相角滞后的变化对细分角的影响，确保了电机步距角细分的实现。ｉｉ和的变化可以描述为公式１，其中ｉ电机的最大工作电流。是
电机控制系统设计与实现
张小杭金华职业技术学院５１１２０７
细说明。
本文提出了一种基于ＤＰ的自细分步进电机控Ｓ制器系统设计与实现，该控制器利用ＴＩ司公的Ｔ￥０Ｆ４７ＤＰ芯片和集成电机驱动ＭＳ２Ｌ２０ＡＳ芯片构成自细分步进电机控制系统。通过对电机转速和电机驱动芯片Ｈ桥的最优开美频率进行比较，确定电机步距角的细分数，从而实现对两台２相式步进电机的优化细分控

两相混合式步进电机细分控制

两相混合式步进电机细分控制两相混合式步进电机细分控制是一种常用的步进电机控制技术，可以实现高精度和高速度的运动控制。

本文将介绍两相混合式步进电机的工作原理、细分控制技术以及在实际应用中的一些注意事项。

首先，我们来了解一下两相混合式步进电机的工作原理。

两相混合式步进电机由两个相位的线圈组成，每个相位有两个线圈。

当电流通过线圈时，会产生磁场，这个磁场会与电机中的永磁体相互作用，从而产生力矩，推动电机转动。

通过交替激励两个相位的线圈，可以控制电机的转动方向和步长。

在细分控制中，我们需要将一个完整的步进角度细分为更小的角度，以提高步进电机的精度和平滑性。

常见的细分控制技术有全步进、半步进和微步进。

全步进是最基本的细分控制技术，将一个完整的步进角度等分为若干个小角度。

例如，将一个360度的步进角度等分为200个小角度，每个小角度为1.8度。

全步进可以实现较高的转动精度，但在低速运动时容易产生共振和震动。

半步进是在全步进的基础上进行细分的一种技术。

它将一个完整的步进角度等分为更小的角度，并在每个小角度中交替激励两个相位的线圈。

例如，将一个360度的步进角度等分为400个小角度，每个小角度为0.9度。

半步进可以提高步进电机的转动平滑性和精度，但在高速运动时容易失步。

微步进是最高级别的细分控制技术，可以将一个完整的步进角度细分为更小的角度，并通过改变线圈电流的大小和方向来控制电机的转动。

微步进可以实现非常高的转动精度和平滑性，但同时也增加了系统复杂性和成本。

在实际应用中，我们需要根据具体需求选择合适的细分控制技术。

如果对转动精度要求较高，可以选择全步进或半步进；如果对转动平滑性要求较高，可以选择半步进或微步进。

同时，还需要注意以下几点：1. 选择合适的驱动器和控制器：不同的细分控制技术需要相应的驱动器和控制器来实现。

因此，在选择步进电机系统时，需要考虑其兼容性和可靠性。

2. 控制参数调整：在使用细分控制技术时，需要根据具体情况调整控制参数，如脉冲频率、加速度和减速度等。

两相混合式步进电机细分驱动器设计

• 113•两相混合式步进电机细分驱动器设计北京航天发射技术研究所郝欣伟袁皓刘云秋翟志强针对数字阀和数控油缸使用的两相混合步进电机，阐述了步进电机细分驱动原理，提出电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，基于LMD18245设计了细分控制电路和细分驱动软件，并进行了力矩测试试验。

前言：混合式步进电动机是在同步电动机或者在永磁感应子式同步电动机的基础上发展吴付法起来的。

既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。

其综合了该两类步进电动机的特点，具有分辨率高，输出转矩大，控制功率小等优点，是目前应用最为广泛的步进电动机种类。

目前数字阀和数控油缸多选用两相混合式步进电机作为数字阀和数控油缸的驱动元件，其控制系统采用外购驱动器+控制单元的方式实现。

其系统结构如图1（左）所示，采用两层结构实现。

其中3台外购驱动器实现3台步进电机的细分驱动，为满足电磁兼容要求，需要设计驱动转接装置将其封装在一个单机内；控制单元基于CAN 总线设计，实现与上位机通信，并输出3台驱动器所需的位置脉冲和方向控制信号，为5V 逻辑电平。

从中可以看出，系统结构较复杂，环节较多，核心驱动部分采用外购件，成本高。

为简化设计，节约成本，提高可靠性，作者基于XC164单片机平台，开发了两相混合式步进电机细分驱动电路，设计了细分驱动软件，并集成到步进电机控制单元中，只需一个单机即可实现上述两层结构所能完成的功能。

其结构框图，如图1（右）所示。

以下，详细介绍了其细分驱动原理，以及驱动电路和软件实现方法。

图1 原设计与新设计结构对比1 细分控制原理及特点步进电机的步距角，由于受制作工艺的限制齿数不能做得很多，因此步进电机的步距角就不可能很小，从而步进时存在明显的脉振，带来不能精密移位的问题。

细分驱动电路在70年代中期由美国学者首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的。

基于DSP的场导向两相步进电机控制技术研究

关键词：Ｓ：ＤＰ步进电机；场导向控制中图分类号：Ｍ３２１Ｔ０．文献标识码：Ａ
工业领域中的步进电机会出现步进谐振和跳步现象，不是步进电机本身而是所使用的驱动方这并
磁场如图１ｂ所示，么转子就会顺时针转３。（）那Ｏ。如果绕组２又没有电流，而绕组１的电流方向相反，产生的定子磁场与图１ａ相反，转子又会顺时针（）则转动３。Ｏ。再有电流以反方向通过绕组２，生的定产子磁场与图１ｂ相反，子又会顺时针转动３。（）转Ｏ。至此我们已分析了一个完整的电周期，是电但
数据锁存器电源
到电绕组
图２硬件逻辑图
传送。同时，个八位计数器被二分频触发器以一１ＭＨ驱动。移位寄存器的低八位组成绕组Ａ和０ｚＢ的ＰＷＭ的负荷率。第九位是符号位。它控制Ｈ
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第７卷第３期２００７年９月
兰州石化职业技术学院学报
ＪｕａｆＬｎｈｕＰｔｃｅｃｌＣｌｇｆＴｃｎｌｇｏｒｌｏａｚｏｅｒｈｍｉａｏｌｅｏｅｈｏｏｙｎｏｅ
桥的双极驱动。
和一个绝对地置变址位）两个相绕组过零位，个，一
可以用按钮执行的停止命令位，和两个设置跳线位。
设置跳线用于选择程序启动存储器中的编码字段。

基于DSP的步进电机细分驱动技术

ｏｅｔ — ｈｓｎｉｇｆｔｅｍｏｏｈｇｎｔｗｓｏｉｅａｄｃｓｅａｄｔｅｄｔｆｖｎｓｂｉｉｉｎｗｅｅｏｔｉｅ．ｓｌｈｗｆｈｔｗｏｐａｅｗｉｄｎｓｏｔｒｃａｉｇｗｉｌｆｎｎｏｉｎａａｏｅｕｄｖｓｏｒｂａｎｄＲｅｕｔｓｏｈｎｈａｓｎｈｅｓｈｔｕｄｖｓｎｄｉｎｈｏｏｙｏｅｐｎｔｒｓｄｏＰｃｎｉｏｅｔｆｒｎｅａｅｔａＳｓｏｐｓｅｓｖｒｏｄｔａｅｓｂｉｉｏｒｉｇｔｃｎｌｇｆｔｐｉｇｍｏｏａｅｎＤＳａｒｖｅｐｒｏｍａｃｒａｅ，Ｏａｏｓｓｅｙｇｏｈｔｉｖｅｓｂｍｐｈｅｇｄｌｔａｄｖｌｐｎｔｎａ．ｅｅｏｍｅｔｅｔｏｐｉ１ＫｅｒｓｓｅｐｎｔｒｓｂｉｉｉｎｄｉｉｇＤＳ；ｅｅｉｎｅｕｐｎｙｗｏｄ：ｔｐｉｇｍｏｏ；ｕｄｖｓｏｒｖｎ；Ｐｄｔｔｑ设备的电控步进电机的稳定性，使步进电机微步进均匀旋转，系统－硕士研究生．研究方向ｋ＇－
。
采用ＤＰ片Ｔ３０２１作为控制核心，以Ｌ９双全桥驱动芯片作为电机功率驱动芯片，实现为光电检测与信息处理。Ｓ芯ＭＳ２Ｆ８２２８了对两相混合式步进电机的数字控制，并对微细分技术进行了理论分析和试验验证，取得了电机两相绕组的电流按正余弦规律变化的试验结果，获得了均匀细分的数据。结果表明，基于ＤＳＰ的步进电机

基于DSP的步进电机细分控制系统的设计

ａｓｒｓｎｅ．ｌｏｐｅｅｔｄ
Ｋｅｏｄ：ｓｅｐｒｍｏｏ；ｉｉｉｎｃｎｒｌＤＳＰｙＷｒｓｔｐｅｔｒｓｖｓｏｏｔｏ；
１引言
由于超大规模集成电路技术的迅速发展，Ｐ的性ＤＳ
的ＤＰ微控制器Ｔ３０Ｆ４７ＳＭＳ２Ｌ２０Ａ实现的自细分步进电机控制系统与相应的单片机控制系统相比，计算速度更快、数字计算能力更强、集成度更高也更加专业化。步进电机的主要优点是定位精度高，无积累位置误差，其开环运行的机制大大减少了系统成本。但是存在着缺点：转速不够平稳，运行会发生振荡现象。当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动电源和控制方法，采取什么样的驱动电源和控制是步进电机的一个重要研究课题。步进电动机的控制方式经过多年的发展，了常规的开环步进驱动技术以除外，还形成了升频升压控制；恒流斩波控制；微步进细分
基金项目：嘉兴学院科研一般项目（１ｏ７ｏ２ｏ５ｏ）
收稿日期：ｏ —１ —１２６１ｏ７
的方法来实现的。通常采用电流矢量幅均匀旋转的细
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《动技术应》０７第２卷期自化与用２０年６第４
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电气传动
ＥｌｔｉａｉｅｓｅｃｒＩＤｒｃｖ
《自动化技术与应用》２００７年第２６卷第４期

基于DSP的步进电机控制系统设计

收稿日期:20000714 驱动控制基于DSP 的步进电机控制系统设计李为民,邢晓正,胡红专,邓伟平(中国科学技术大学,合肥230027)Design of Control System of Stepper Motor B ased on DSPL I Wei -m i n ,X IN G Xiao -z heng ,HU Hong -z huan ,D EN G Wei -pi ng(University of Science and Technology of China ,Hefei 230027,China ) 摘　要:介绍了DSP 技术在步进电机控制系统中应用。

由DSP 微处理器构成步进电机的智能控制器,DSP 的数据端口构成步进电机的智能脉冲分配器,由定时器中断产生激励脉冲。

文章提出了基于单片ADSP -2181处理器的多目标步进电机脉冲扫描控制原理,每4个电机组成一个控制单元,控制单元分配一个地址序号,由DSP 处理器扫描其I/O 空间的控制单元驱动步进电机。

关键词:步进电机;控制系统;DSP 中图分类号:TM383 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2001)03-0027-02Abstract :This paper puts forward the application of DSP in the control system of stepper motor.Single DSP constitutes the intelligent controller of stepper motor.The data port of DSP forms the intelligent pulse distributor of stepper motor ,and the control system creates drive pulse of stepper motors by the timer of DSP.The paper also presents the control principle of pulse scanning method of multi -object stepper motors based on single ADSP -2181.Each control unit controls four stepper motors ,and has one I/O port address number of DSP.DSP drives stepper motors by scanning the I/O port address of each unit.K eyw ords :stepper motor ;control system ;DSP1引　言由于超大规模集成电路技术的迅速发展,DSP (Digital signal processor 数字信号处理器)的性能价格比得到很大提高,使得DSP 在电机控制领域的应用愈来愈广泛。

基于DSP的两相步进电机细分驱动器设计

ＰＷＭｗａｖｅｕｓｉｎｇｆｕｚｚｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｌａｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ（ＰＤ）ｃｏｎｔｒｏｌｌｇａｏｉｒｈｔｍ，ｍａｋｉｎｇｈｅｔｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｖａｒｙｅｒｐｉｏｄｉｃａｌｌｙｉｎ
阶梯正弦波的形式周期变换，实现步进电机细分驱动。实验结果表明该驱动器运行稳定，控制精度高，低频振荡小，可靠性高。有较好的应用前景。
关键词：步进电机；细分驱动；数字信号处理器
中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１０００ — １００Ｘ（２０１７）０４ — ００８７ — ０３
ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｉｒｔｈｍ，ｈｅｔｐｈｓｅａｃｕｒｒｅｎｔｏｆｓｔｅｐｐｅｒ
ｍｏｔｏｒｉｓｄｉｒｖｅｎｂｙｗｏｔＨ－ｂｉｒｄｇｅｄｉｒｖｅｒｗｈｉｃｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｉｔｏｎ（ＰＷＭ）ｍｏｄｕｌｅｏｆＤＳＰ．Ｔｈｅ

基于DSP的两相混合式步进电机驱动器设计

基于DSP的两相混合式步进电机驱动器设计随着科学技术的进步,步进电机在工业生产与生活中的应用越来越普及。

由于近几年电力技术、微机技术的高速发展,以及控制理论的逐步完善,步进电机在各方面都得到了极大提高,不仅大大降低了生产成本,简化了驱动方式,还提高了工作效率与精确度,除此之外,其驱动器的设计也紧跟时代发展的脚步,朝着全数字化的方向迈进。

本文主要分为六个章节,首先,作者在第一章对步进电机进行了大致的阐述,明确了步进电机的定义;第二章作者介绍了步进电机的运作原理与设计理论;第三章和第四章则分别对步进电机驱动器和控制软件的设计进行了详细阐述;第五章则是在上述理论与实际情况的基础上设计了一款基于DSP的全数字两相混合式步进电机驱动器,并对其进行一系列功能分析与测试;文章最后作者根据试验结果做出了相应的讨论,并提出了合理的建议与展望。

在硬件部分,本文选择TMS320F2803X作为驱动器的主控芯片,这是由TI公司设计合成的,其主要目的解决工业控制方面的问题;而选择IR2104S驱动芯片组成功率驱动部分,这是由IR 公司合成的,其主要目的是防止出现全桥拓扑结构等方面的问题。

DSP将会在接收外部控制信号后自动计算出电流给定值,接着这些数值将会通过控制算法与细分算法的处理,进而输出PWM信号,并被IR2104所接收。

最后,功率开关器件IRF640将会受到该IR2104信号的控制,进而驱动步进电机进行运作。

从软件部分分析,本文设计的步进电机整个程序的编写都是由DSP控制,在CCS编程环境下进行的。

电流环控制算法和控制策略则分别采用增量式PI算法和内置细分控制,同时通过SPWM控制来实现逆变器的运行。

除此之外,为了便于后期步进电机的调试与相关参数的修改,本研究还增加了通讯接口。

本文还对该步进电机展开了一系列的分析与测试,其测试结果显示其驱动器与商用标准相符合,并且该控制策略还具有高度的可行性。

基于DSP的二相混合式步进电动机SPWM细分驱动

步距角越小，入稳定区域越容易，动频率就点是定位精度高，积累位无
置误差，开环运行的机制大大减少了系统成本。其但是存在着缺点：速不够平稳，行会发生振荡转运现象。当电机和负载已经确定之后，个驱动系统整的性能就完全取决于驱动电源和控制方法，取什采么样的驱动电源和控制是步进电机的一个重要研究课题。目前各种步进电机控制电路和方法很
电流波形是离散的正弦函数。进电动机的气隙磁步
２ＳｗＭ细分驱动Ｐ
步进电机步距角细分是通过改变步进电机相
电流的方法来实现的。常采用电流矢量恒幅均匀通
动势包含着较大和较多的空间谐波，进的办法是改
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《小型电机￣０２，９４中２０２（）
基于ＤＰ的二相混合式步进电动机ＳＷＭ细分驱动ＳＰ
３１
基于ＤＳ的二相混合式步进电动机Ｐ
ＳＷＭ细分驱动Ｐ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅＳｔｐｐｉｇｍｏｔＤｒｖｅＴｅｔｎｏｒｉｓ
ｌ引言
混合式步进电动机因其具有运行频率高、态动力矩大、动小、转平稳、噪声、位精度和分波运低定

基于DSP的混合式步进电机细分调速系统设计

基于DSP的混合式步进电机细分调速系统设计作者：邵海龙来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2019年第04期摘要：本文运用两相混合式步进电机细分控制理论，在DSP的视角下实现对混合式步进电机数字化控制系统的设计，该系统以DSP为主控制器件，实现混合式步进电机的电流、转速和反馈的数字化控制，同时结合实际应用分析其效果以及对电机性能的提升作用，为DSP技术在电机细分调速方面的后续应用提供一定的技术支撑.关键词：DSP;两相混合式步进电机;细分调速;调速系统;分析中图分类号：TM301.2; 文献标识码：A; 文章编号：1673-260X（2019）04-0092-03步进电机细分控制技术在步进电机的运行当中能够克服传统电机在低中速下性能不好的不足，在现代电机的发展中具有良好的运用前景和发展潜力.步进电机转矩矢量控制技术能够很好地控制电机运行过程中的输出转矩和幅值，增强电机运行的稳定性，保障电机运行中的动态特性，在电机控制方面作为一种新型的技术而具有广阔的发展前景[1].随着现代技术的不断进步，一种新型的数字信号处理技术——DSP应用而生，在电机控制领域产生了DMC（数字电机控制）技术和多重技术相互应用的复杂电机控制技术，大大提高了电机的運行速度和效率.1 两相混合步进电机的细分控制原理步进电机的细分控制原理经历了将近二十年的发展历程，在过去技术不发达的情况下常常受到电子元件开关频率、运算速度等方面的限制，在具体的应用中很少使用细分控制技术[2].随着微电子技术的不断发展，特别是DSP技术的发展，为步进电机细分控制技术提供了应用的机会.1.1 步进电机频域划分及角速度波动的特点步进电机控制脉冲的频率（fcp）以及逻辑通电状态（N1）、转子齿数（p）与平均转速三者之间呈现很大的相关性.三者之间构成如下的方程式：步进电机在运行的过程中可以根据频率的大小分为极低频、低频和高频三种状态.步进电机在低速时容易出现低频振动的现象，这十分不利于电机的正常运转[3].因此在实际的低频与超低频情况下可利用细分技术完成电机转动时的转矩波动和角速度波动的调节，从而提高步进电机速度的控制精确度.防止电机在运行的过程中因转速过快而发生剧烈的振动，影响电机的效率和使用年限.1.2 两相混合式步进电机细分控制理论在运用两相混合式步进电机细分控制理论时，可以忽略定子线圈的波动，将线圈的自感作为一个常量计算出转矩：其中电机转子的齿数为p，永磁体等效电流为Im，两相绕组与永磁体等效励磁电流的互感为Msr，两相电流为iA，iB.该式即为步进电机细分控制的理论基础，从该式中可以看出两相混合式步进电机的矩角特性与正弦曲线的特性基本相符[4].当在两相混合式步进电机的两相绕组上加上该式所示相角关系的电流从上面的式子中可以看出同步电机的运转与其具有很大的相似性，那么对于两相混合式步进电机的分析既可以等价为一台永磁同步电机来分析，假设两相永磁同步电机转子齿数为P，此时该两相混合式步进电机就等同于一台2P个电极的两相同步电机.在理想模型下，如果用模拟的正弦，余弦电流分别加载在步进电机的两相，将会得到同步电机相近的转矩特性，从而确保电机匀速旋转[5].步进电机的控制细分效果正是基于微步驱动方式，即将加载在步进电机上的正、余弦电流数字化得到的.2 DSP实现两相混合式步进电机细分控制两相混合式步进电机细分技术的主要任务就是两相电流基值的计算，并按照以上的计算式子得到两相的电流[6].因此为了达到这一设计目标，先求出电机A相和B相电流的给定值，然后与电机A相和B相电流负反馈的值进行比较，最后得到两者之间的差值.在PID环节进行处理，在系统的事件管理器中输出脉冲，进而驱动系统开关的闭合，最后完成对驱动系统的控制和电流的控制技术.具体的控制原理如图1所示.首先可以参照公式（4）中的方法确定电机A相和B相的电流值，得到A、B两相每个细分微步的电流值.为了完成数字化计算，必须在微控制器的程序存储器中存储细分控制函数基值表以备查取[7].由于所选用DSP为16位，故按照如下方式完成电流基值的计算，其中括号代表取整数：其中微步数为t.首先确定细分数，然后当S确定后就可以通过查表法得到电机A相和B相的电流基值.如果S的取值为128，那么可以得到B相的电流机基值，如表1所示.A相电流与B相电流使用同样的查表法得出.由式子（4）、（6）即可求得给定的A、B 相电流：DSP通过对A相和B相的电流进行反馈才得到实际的电流iAS、iBS与转换后电流之间的差值：PID软件获得差值信号后将其输送给DSP事件管理器，产生PWM信号输出，得到一个系统的数据和波动值，可以采用电流跟踪的方式将电流给定的正弦波信号与电机绕组上实际的流过电流进行比较，如果实际电流值小于给定值，那么DSP在载波信号三角波的调节下，将PWM控制电压信号脉宽变窄.如果实际电流值大于给定值，则PWM输出脉宽加大.控制系统就是利用这种办法完成电机驱动信号的给入，最终经处理整形信号从而实现步进电机的绕组电流控制.3 步进电机控制软件设计对于步进电机控制软件的编写，首先是初始化，然后利用串行中断方式来读取上位机的各种信号，即就是电机的方向转速等，通过读取信号获取电机转动的电流大小，同时确定上机位的位置，进行细分步长S的计算：（1）事件管理器A的GP定时器的计数频率：CPU的时钟频率为8MHZ，该设计选用计数周期为256的GP定时器，因此可以得到：（2）电机步进脉冲频率将电机的转速设为240r/min，步距角为1.5°，则脉冲频率为：（3）电机细分数（4）求步长值得到步长之后利用控制系统存储器中的电流基值表，配合给定的电机电流峰值，得出电流给定值.然后通过闭环系统反馈的电流值得到绕组实际电流，经过差分运算求出误差值.再利用PID调节完成PWM的控制信号，最后与电机正反转的DSP信号一并送往电机驱动电路，完成电机的驱动.在控制软件主程序中步进电机旋转方向可以在系统的作用下完成对不同电流的输入和输出，并决定逻辑信号的方向.如果需要反转时就会得到相同的信号[8].电机整步运行时，2路控制输出口输出等脉宽方波，步进电机运行频率即就是输出脉冲频率.步进电机正向，反向转动时，两路控制输出口方波相角相差90度.4 系統调试完成控制系统的设计，并与控制电机完成连接进行上电运行调试.首先利用主控DSP的IOPB4和IOPB5输出的I/O信号决定电机的旋转方向.然后进行细分控制与微步距角的调试.控制绕组上的正余弦电流完成细分控制，当微步距角进行周期变化时，发现电机的转速也周期性的发生变化，如果与电机的固定频率相接近的时就容易发生振动的现象，这种现象对电机细分的应用范围有了很大的限制，导致电机运行缺少平稳性.因此如何改善步距均匀性是需要解决的一个重要问题.唯一的办法就是设置细分驱动系统的位置闭环，能够实现较高的精确度和定位，它可以在电机的运行中排除摩擦力、负载力等引起电机不稳定的因素.但其缺点是需要在装置上加上检测的元件，且分辨率受到检测元件的限制.还有一种方法可以通过对细分驱动微步距角进行反复循环的测定，得到转子位置与微步距角之间的关系曲线，从根据函数曲线减小距角的范围.总结混合式步进电机作为工业控制中心常用的一种电机，随着数字信息技术的发展应用前景将逐渐的广阔.本文以DSP技术为核心，运用到两相混合式步进电机中设计了数字控制系统，经过系统的设计和运行能够完成步进电机的细分调速并且控制系统与计算机两者之间的实时通讯畅通.该控制系统具有良好的发展潜力，特别是在数控机床等领域的应用前景比较明朗.参考文献：〔1〕林鑫，余世明，朱建江等.混合式步进电机细分控制方法优化策略研究与仿真[J].机电工程，2012， 29（2）：196-199.〔2〕许金，郭庆，徐翠锋等.ARM处理器的蠕动泵步进电机细分驱动系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（9）：38-41.〔3〕刘绒侠，王健.基于CPLD的双极性步进电机细分驱动器设计[J].桂林电子科技大学学报，2013，33（4）：292-295.〔4〕谢长君，杜康，刘力等.两相步进电机细分驱动器研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2013，35（6）：851-855.〔5〕黄慰辉，李训根.三相混合式步进电机细分驱动器的设计[J].杭州电子科技大学学报，2015，（4）：16-19.〔6〕易淼.步进电机细分技术在显微镜自动调焦系统中的应用[J].江西教育学院学报，2013，34（3）：10-12.〔7〕郑国平.基于Simulink仿真的步进电机细分控制分析[J].计算机与数字工程，2014，42（8）：1407-1411.〔8〕刘霜，李兴根.新型三相步进电机细分驱动器设计[J].轻工机械，2013，31（4）：60-63.。

基于DSP的二相混合式步进电动机SPWM细分驱动

（c）
（d）图 5 实测绕组电流及反馈电压波形图 6 为转速 1.5 转／分钟，给定峰值电流 1A 情况下 A、B 相绕组闭环电流相位对照波形，可见两路电流是正交的。
图 6 实测 A、B 绕组电流相位波形
7 结论
本文给出了基于 DSP 的二相混合式步进电动机 SPWM 细分驱动系统的硬件及软件设计方案。试验表明，电机运行平稳、噪声低，驱动、控制、保护均可由软件实现。其硬件电路设计简单、可靠性高、通用性强，
mini-step drive in fact. This paper realizes the SPWM drive of two-phase hybrid stepping motor both in hardware and software based on DSP, besides, stator-winding current experimental curves are given out, result has practical significance and practicability. Keywords: hybrid stepping motor; mini-step drive; SPWM
电流闭环采用瞬时电流跟踪控制策略，即当前周期的控制信号总是要当前电流趋向参考电流。如果当前周期的参考电流与采样电流的偏差小于零，则立即关断相应的相主开关，反之，则立即开通相应的相主开关，故又叫 Bang — Bang 控制。它与常用的电流滞环斩波控制是异曲同工，从控制效果上来说，显然电流跟踪控制更能准确的实现电流目标值，斩波频率更高，有利于电机的高效与低噪，是一种较好的解决方案[6]。系统中 PWM 斩波频率设定为 20kHz 以减少噪声。

基于DSP的步进电机控制模块设计教材

《DSP基础与应用系统设计课程设计》课程设计报告题目:基于DSP的步进电机控制模块设计姓名：吴清清院系：电力学院专业：电子科学与技术学号： 201312309指导教师：谭联完成时间: 2016 年 12 月 31 日摘要电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，微处理器已经广泛用于电动机控制领域。

由于处理数据量的增加和对实时性的要求不断提高，传统的基于单片机的控制策略越来越不能满足需要，随着数字信号处理器（DSP）的迅速发展及性价比的不断提高，数字信号处理器应用于电动机控制领域已经成为一种趋势。

因此研究DSP在控制系统中的应用也有重要的意义。

关键词：电动机控制；步进电动机；数字信号处理器；控制系统目录摘要1 课程设计题目、内容与要求 (1)1.1 设计内容 (1)2.步进电机的介绍 (1)2.1步进电机的概念 (1)2.2步进电机的原理 (1)2.3步进电机的分类 (1)3 系统设计 (2)3.1 DSP芯片的选择 (2)3.2系统框图 (2)3.3 步进电机的DSP控制 (2)3.3.1 芯片在电机控制中的应用 (2)4.硬件电路设计 (3)4.1驱动电路 (4)4.2时钟电路 (4)4.3复位电路设计 (5)4.4外部存储器设计 (5)4.5JTAG 仿真接口 (6)5程序设计 (7)5.1流程图 (7)5.2程序 (8)6实验现象 (8)7.总结 (9)8.参考文献 (9)附录： (10)1 课程设计题目、内容与要求1.1 设计内容利用DSP设计一个步进电机控制模块。

掌握使用DSP的扩展I/O端口控制外围设备信息的方法。

掌握使用 DSP 通用计时器的控制原理及中断服务程序的编程方法。

了解步进电机的控制方法。

1.2 具体要求（1）完成硬件各部分的设计（2）软件部分的设计。

2.步进电机的介绍2.1步进电机的概念步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

基于DSP的二相混合式步进电动机SPWM细分驱动

基于DSP的二相混合式步进电动机SPWM细分驱动
李景男;王旭东
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2002(029)004
【摘要】对于二相混合式步进电动机,如果绕组电流是两相对称的正弦交流电流,电动机将运行平稳,且具有较高的性能.在位置开环情况下,这种驱动方式实际上是一种细分驱动.文章给出了基于DSP的二相混合式步进电机SPWM驱动的软、硬件实现方法,并给出了实验结果,有实际意义和实用价值.
【总页数】3页(P31-33)
【作者】李景男;王旭东
【作者单位】哈尔滨理工大学,150040;哈尔滨理工大学,150040
【正文语种】中文
【中图分类】TM3
【相关文献】
1.基于DSP的混合式步进电动机斩波恒流细分控制研究 [J], 李莉;
2.基于DSPs的SPWM波调制方法的实现 [J], 王成;叶天晓;张峰
3.基于SPWM的三相混合式步进电动机在舞台电脑灯中的应用 [J], 易理告;王晓初;徐震
4.二相混合式步进电动机SPWM细分驱动 [J], 王泮海;史敬灼;徐殿国
5.基于FPGA的步进电机SPWM细分驱动系统的设计 [J], 张萍
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基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器的研究的开题报告

基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器的研究的开题报告一、研究背景步进电机具有简单、可靠、低噪声、低成本等优点，被广泛应用于数控机床、自动化设备、精密仪器、医疗器械等领域。

在步进电机驱动技术中，多细分技术是提高步进电机性能的有效方法之一。

传统的定步距驱动方式只有固定的步距角，难以满足高分辨率和高精度控制的需求。

而多细分技术则可以将每个步进脉冲分解成几个微步脉冲，从而大大提高步进电机的精度和平滑度。

目前，基于DSP的多细分步进电机驱动技术受到了广泛关注。

DSP芯片具有高性能、强实时性、易于扩展等优点，能够有效地实现多细分控制算法。

因此，研究开发基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器，具有很高的实用价值和研究意义。

二、研究内容和目标本研究的研究内容主要包括以下几个方面：1. 设计二相混合式步进电机的驱动电路：通过对二相混合式步进电机的结构和工作原理进行研究，设计出合理的驱动电路。

2. 设计多细分控制算法：分析多细分控制算法的原理和特点，结合步进电机的实际应用，设计出适合二相混合式步进电机的多细分控制算法。

3. 基于DSP的多细分步进电机驱动器设计：选择一款高性能的DSP 芯片，将多细分控制算法移植到DSP芯片中，设计出基于DSP的二相混合式步进电机驱动器。

4. 实验验证：对设计的多细分步进电机驱动器进行实际测试和验证，评估其性能和实用性，得出结论和改进方向。

本研究的研究目标是设计一种基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器，实现高分辨率和高精度控制，为步进电机在自动化控制领域的应用提供支持和保障。

三、研究方案和方法1. 研究二相混合式步进电机的驱动电路：在充分考虑步进电机工作原理和性能特点的基础上，选择合适的电路拓扑，设计出适合二相混合式步进电机的驱动电路。

2. 研究多细分控制算法：首先明确多细分控制算法的基本原理和逻辑，然后结合具体的步进电机应用，对多细分控制算法进行改进和优化，使其更加适合二相混合式步进电机的特点。