基於TMS320F28335的微位移步進電機控制系統設計

摘要：本系統擬計劃採用DSP控制步進電機推動輕裝置移動實現測量裝置的精準定位。系統擬採用的主控制器為DSP28335，被控對象為最小步進角為1.8°的42步進電機，採用DSP輸出PWM脈衝波通過電機驅動器摔制電機的運行。系統根據具體控制要求改變對PWM參數的設置，並通過相關的算法對過程參數進行修正以完成系統目的。電機控制系統的控制精度為線位移10 μm，能夠達到為實驗室項目進行支持的目的，本系統亦可廣泛應用於電機控制領域。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/306787.htm

關鍵詞：DSP28335控制;PWM脈衝波形;步進電機;A3977SED

0 引言

步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制器件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。為實現對步進電機的控制，一般可採用單片機為控制器，通過一些大規模集成電路來控制其脈衝輸出頻率和脈衝輸出數以實現步進電機的控制，然而整個系統的準確性、可靠性都存在缺陷。本系統是為實驗室某項目服務的子系統，系統的研究目的在於精確、快速、穩定地調節實驗裝置的相對移動，找到最佳位置、角度安放裝置，故本系統擬採用浮點型DSP28335作為系統控制器，擬採用其集成的PWM輸出模塊，減少外圍電路的使用，提高了系統的可靠性和系統的控制精度。

1 系統總體方案設計

本系統總體設計框圖如圖1所示。擬採用數位訊號處理晶片DSP28335根據控制算法輸出一個特定的PWM脈衝序列，該脈衝序列經由特定的步進電機驅動器實現對高精度的42步進電機的控制，通過控制算法自動或者手動調節電機的運行狀態和運行速度並送液晶實時顯示。通過對系統點位的檢測來判定是否達到系統的控制目的，最終通過一定算法完成系統安裝位置的選定。

2 系統硬體實現

本系統擬選用的主控制器為TMS320F28335，其具有150MHz的高速處理能力，12位16通道ADC，具備32位浮點處理單元，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)。本系統中正是使用了其獨立的PWM模塊產生脈衝信號。因課題需要精確定位故選用控制精度為1.8°的42步進電機實現裝置推動，步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件，其結構圖如圖2所示。

從理論上講，步進電機的驅動方式只需通過循環改變定子線圈勵磁就能實現，但是由於電機對電路驅動能力要求高，故本系統採用外接驅動晶片A3977，A3977細分驅動器採用高性能的專用微步距電腦控制晶片，其含內置轉換器的完整的微步電動機驅動器。只需在一個步進輸入一個脈衝即可驅動電動機進行一個步進，通過兩個邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進模式。其內部同步整流控制電路用來改善脈寬調製(PWM)操作時的功率消耗，並且該晶片可以自動地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。本驅動晶片設置為全步模式，其採用共陰接法en使能，dir控制方向，step信號接收脈衝信號，信號的頻率決定轉速，脈衝的個數控制電機的步進距離。系統的總體硬體圖如圖3所示，上位機對信號採集後通信DSP，使DSP產生相應的控制信號輸給連接好42電機的步進電機驅動器A3977SED，控制電機的運行完成系統控制目的。

3 系統軟體設計

本系統的軟體設計擬從兩方面展開：1 PWM脈衝的產生設計，2步進電機的控制方式設計。

3.1 PWM脈衝序列的產生

PWM是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。本系統採用DSP產生脈衝序列，DSP28335共12路16位的ePWM，能進行頻率和佔空比控制。PWM信號頻率由時基周期寄存器TBPDR和時基計數器的計數模式決定。初始化程序採用的計數模式為遞增計數模式。在遞增計數模式下，時基計數器從零開始增加，直到達到周期寄存器值(TBPDR)，然後時基計數器復位到零，再次開始增加。

PWM信號周期與頻率的計算如下：

ePWM的時鐘

TBCLK=SYSCLKOUT/(HSPCLKDIV×

CLKDIV)： (1)

Tpwm=(TBPRD+1)*Ttbclk： (2)

Fpwm=1/(Tpwm) (3)

其初設置程序流程圖如圖4所示。

3.2 步進電機的控制

本系統設計了手動和自動兩種控制方式，手動模式主要運用於對自動化和控制要求不高的場合，通過按鍵實現電機的步移、加減速、正反轉和啟停。自動模式運用於對自動化程度、控制精度要求高的工況。針對實驗室項目，本系統採用的控制方式主要為自動模式。上位機上電後即開始檢測實驗室裝置(流量傳感器)輸出信號，通過與事先設定好的兩個閾值A和B(B>A)進行比較，當信號強度為零時電機推動傳感器高速循環掃描現場直到信號強度大於閾值A時，系統判斷為粗調成功。此後系統進入微調階段，電機進入低速運行模式，傳感器低速移動直到信號強度大於或者等於B強度時系統控制電機停止運行。系統的控制流程圖如圖5所示。在本系統中針對不同的工況設計的兩個信號閾值為程序設計中的周期寄存器提供了設置依據，因實驗室系統對精度要求較高，故周期寄存器設置的初值都較大從而使Fpwm的值較小，電機的轉速也相應較低。在本系統中選用EPWM2B埠輸出PWM的脈衝，GPIO1控制電機轉動方向，GPIO2控制電機的啟停。

4 系統調試分析

4.1 PWM脈衝調製分析

圖6為DSP輸出的脈衝波形和其相對應的參數，通過修改參數值可以實現對脈衝頻率的改變，並且可以通過DSP的點對輸出控制電機的運行。通過調試分析能夠很好地實現實驗目的，持續地改變電機的運行狀態。

4.2 控制精度調試

本系統採用電機推動絲杆移動裝置。絲杆採用的是滾珠絲槓，其為一種將迴轉運動轉化為直線運動的理想的產品。

本系統選用的電機的最小步進角為1.8°故控制精度調試實際就是絲杆精度的調試，本系統選用的絲杆的額定扭矩為4N.m，最小角位移對應線位移為10 μm。

系統總體調試：

現階段系統調試結果為通過按鍵和程序控制能夠很容易地實現電機的運行，能夠通過計算得出電機的運行角速度並送液晶屏顯示當前過程量。連接好絲杆的電機能夠實現對傳感器的推動。通過上位機對傳感器信號強度的實時監測，系統能夠基本滿足設計目的，即系統能自動並有效地進行最佳信號點的檢測，達到對物塊的精確定位。

5 小結

本系統從實際工程背景出發，旨在為實驗室某項目提供技術支持。通過對系統的設計和調試能夠從理論上實現項目目的，達到控制要求。通過硬體選型、軟體設計、控制方案研究和實際調試分析，系統能夠達到預期設計目的。然而本系統還存在一些問題有待解決，因本系統是配合項目其他模塊而設計的，而其他模塊尚在調試階段，測試數據不精確，故電機系統控制方案設計模塊還有待提高，將在後續項目進程中進一步研究。本系統當前研究成果能夠適用於對控制精度要求不高的場合，因系統的控制方法比較簡單、系統結構簡潔，有一定的應用價值。