一种高精度的步进电机控制系统设计实现

一种高精度的步进电机控制系统设计实现

作者：周磊吕瑞云

来源：《电子世界》2012年第15期

【摘要】介绍了一种低成本、高精度、高适用性步进电机控制系统中的关键技术实现方法，本设计基于DSP芯片TMS320F2812，该器件上集成了多种先进的外设，为电机控制领域应用提供了良好的平台。步进电机是一种开环执行元件，通过脉冲的个数控制转动的角度，通过脉冲频率控制电机转动的速度，没有积累误差。现有步进电机控制系统，大多开环控制，而一般的步进电机开环控制系统，精度和性能不能保证，闭环控制算法则比较复杂，增加设计调试周期和成本。本文提出一种低成本、高定位精度、高适用性的步进电机控制系统。

【关键词】高精度；步进电机；DSP；控制系统

1.引言

由于超大规模集成电路技术的迅速发展，DSP(数字信号处理器）技术在电机控制领域得到广泛应用。TMS320F2812系列的DSP芯片具有高速的数字信号能力和专为电机控制而设计的结构，使得高实时性要求和复杂算法在电机控制中实现成为可能。系统通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障适用性，可获得近似于伺服电机的性能，具有较高的性价比。

2.控制系统组成

本控制系统由控制器，步进电机驱动器，步进电机、传动机构、负载、和光电码盘等组成，系统基本组成图见图1。控制器送给驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号，码盘反馈位置信息给控制器，步进电机为直流五相步进电机，传动机构为蜗轮蜗杆。

系统中采用步进电机作为驱动元件，由于步进电机属于数字脉冲驱动型，一个脉冲走一步，通过脉冲的个数可以确定其位置，通过脉冲的频率可以控制转速。但如果控制做的不好，容易导致失步甚至堵转，例如当转台的速度跟不上脉冲的频率时，就会失步。当开环系统发生失步时，控制器并不知道系统已失步，此时如果有位置反馈及时纠错，同时修正系统的加减速控制，就可以使系统继续正常的工作，这样提高系统的精度，同时也避免了堵转现象的发生。

3.系统硬件设计

本控制系统中主要硬件：

方位步进电机：五相混合式步进电机，基本步距角0.72度，选配驱动器最大细分256，本系统选用10倍细分，驱动电压选24v；

俯仰步进电机：五相混合式步进电机，基本步距角0.72度，选配驱动器最大细分256，本系统选用10倍细分，驱动电压选24v；

中心处理器选：TI公司的TMS320F2812；

位置传感器选用3600线增量式光电编码器；

限位开关选用光电限位开关，俯仰和高低各两个。

控制器用于完成微机伺服命令解释，在位置反馈下实现步进电机的精确控制，主要包括：微机通讯接口、码盘接口、码盘信号处理、驱动电机接口、TMS320F2812、电源等，其中控制主板接口全部采用光电隔离措施，控制器原理框图见图2所示。

其中，DSP作为核心处理器实现各种外围功能和核心算法，FPGA配合DSP实现加减速控制，输出脉冲信号给驱动器。编码器的正交信号可以直接送给DSP的码盘接口由DSP计数，也可送给FPGA进行计数，然后由DSP取，进而减轻DSP的负担，本系统的编码器线数为3600线，4倍频后是14400，小于DSP内部编码器期寄存器的计数范围，所以本系统直接采用DSP自带编码器器接口实现码盘位置信息的采集。

4.关键技术设计实现

本控制系统为了达到较高的定位精度，还有具有较高的适用性，经济性和可靠性，在软件方面做了如下关键技术设计研究。

4.1 速度曲线

速度曲线，包含升速曲线和降速曲线，可以采取直线升速，但影响的快速性。比较来说，指数曲线是理想的速度曲线，与电机的电磁转速转矩特性相适应。指数速度曲线见图3。

假设曲线分100段，最高速为15000P/s，以伺服系统的步距角为单位。

指数曲线：EXP(-n/50)

升速曲线：R=15000*(1-EXP(-n/50))

降速曲线：R=15000*EXP(-n/50)

经过理论和试验分析，升速曲线性能可以，但降速曲线在高速时的降速加速度较大，而电机在高速时的力矩输入较小，此时速度较高时容易出现失步的现象，所以把降速曲线设计为升速曲线的逆转过程，经过试验证明效果很好。另外因从静止升速时指数曲线的的加速度较大，可以增加在低速阶段的运行时间以防止失步，同时也减小了停止时的过冲作用。

4.2 空回补偿实现

伺服传动机构采用涡轮涡杆，变速比60，具有自锁定功能，并可以大大提高电机的输出转矩，但涡轮涡杆机构的固有缺点，具有齿间隙，严重影响系统的定位精度。为消除次间隙，系统配用3600线码盘，进行位置反馈。

空回产生原理说明：效果可以参考下图，当涡轮逆时针转动时，涡轮蜗杆的咬合效果如图，其中吃力面接触，但另一面具有明显的间隙，但要反转时，首先要转动一个角度克服间隙，然后才能带动蜗轮转动。

空回补偿可以在运行整过程或运行开始进行或在运行结束时进行。原理是根据目标位置abc_c_dest(在运行开始时已经计算好的)与当前位置abc_c(需要根据码盘返回值实时校正的)的差值在PWM中断中实时更新Pcount，(将要运行的脉冲步数)，如果不用空回补偿则此式只计算一次。

PIY.p_count=| PIY.abc_c_dest-PIY.abc_c|

下面就这三种方法进行分析：

1)运行整过程

在一个运行指令的启动到停止实时计算校正abc_c和Pcount。在低速时，小于30°/s时，没有明显问题，转台停止时仍在可接受的低速停止，没有突然停止的感觉。但高于30°/S时，就有突然停止的感觉（停止的速度仍然较高），且速度越高现象越明显。而这种现象在摇杆模式和内部的定位控制（预置位、扫描、搜索模式）相比，也不同，其中摇杆模式时的现象更明显（内部停止处理不同），定位控制时不明显。所以，目前程序的处理在内部定位控制时，采用全程实时计算，但摇杆模式和自动跟踪模式时，不进行补偿。

2)开始阶段

全程校正abc_c，当在只降速之前进行实时计算Pcount时，转台慢速停止，停止后反向运行，现象非常明显。说明在减速段已经过冲了，只是此时不根据码盘校正的abc_c计算Pcount，所以就慢速停止。后由于过冲和振荡补偿，转台再次方向运行到目标位置处。

3)结束阶段