基于TMS320F28335的微位移步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:本系統(tǒng)擬計(jì)劃采用DSP控制步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)輕裝置移動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的精準(zhǔn)定位。系統(tǒng)擬采用的主控制器為DSP28335,被控對(duì)象為最小步進(jìn)角為1.8°的42步進(jìn)電機(jī),采用DSP輸出PWM脈沖波通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器摔制電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)具體控制要求改變對(duì)PWM參數(shù)的設(shè)置,并通過(guò)相關(guān)的算法對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行修正以完成系統(tǒng)目的。電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度為線位移10 μm,能夠達(dá)到為實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目進(jìn)行支持的目的,本系統(tǒng)亦可廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:DSP28335控制;PWM脈沖波形;步進(jìn)電機(jī);A3977SED
0 引言
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制器件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的,可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。為實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,一般可采用單片機(jī)為控制器,通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制,然而整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性都存在缺陷。本系統(tǒng)是為實(shí)驗(yàn)室某項(xiàng)目服務(wù)的子系統(tǒng),系統(tǒng)的研究目的在于精確、快速、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的相對(duì)移動(dòng),找到最佳位置、角度安放裝置,故本系統(tǒng)擬采用浮點(diǎn)型DSP28335作為系統(tǒng)控制器,擬采用其集成的PWM輸出模塊,減少外圍電路的使用,提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的控制精度。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。擬采用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP28335根據(jù)控制算法輸出一個(gè)特定的PWM脈沖序列,該脈沖序列經(jīng)由特定的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度的42步進(jìn)電機(jī)的控制,通過(guò)控制算法自動(dòng)或者手動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行速度并送液晶實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)點(diǎn)位的檢測(cè)來(lái)判定是否達(dá)到系統(tǒng)的控制目的,最終通過(guò)一定算法完成系統(tǒng)安裝位置的選定。
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)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(diǎn)處理單元,有多達(dá)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(tǒng)中正是使用了其獨(dú)立的PWM模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)。因課題需要精確定位故選用控制精度為1.8°的42步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置推動(dòng),步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件,其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
從理論上講,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式只需通過(guò)循環(huán)改變定子線圈勵(lì)磁就能實(shí)現(xiàn),但是由于電機(jī)對(duì)電路驅(qū)動(dòng)能力要求高,故本系統(tǒng)采用外接驅(qū)動(dòng)芯片A3977,A3977細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用高性能的專用微步距電腦控制芯片,其含內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的完整的微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。只需在一個(gè)步進(jìn)輸入一個(gè)脈沖即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一個(gè)步進(jìn),通過(guò)兩個(gè)邏輯輸入確定所處的全、半、1/4或1/8步進(jìn)模式。其內(nèi)部同步整流控制電路用來(lái)改善脈寬調(diào)制(PWM)操作時(shí)的功率消耗,并且該芯片可以自動(dòng)地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。本驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)置為全步模式,其采用共陰接法en使能,dir控制方向,step信號(hào)接收脈沖信號(hào),信號(hào)的頻率決定轉(zhuǎn)速,脈沖的個(gè)數(shù)控制電機(jī)的步進(jìn)距離。系統(tǒng)的總體硬件圖如圖3所示,上位機(jī)對(duì)信號(hào)采集后通信DSP,使DSP產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)輸給連接好42電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A3977SED,控制電機(jī)的運(yùn)行完成系統(tǒng)控制目的。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)擬從兩方面展開:1 PWM脈沖的產(chǎn)生設(shè)計(jì),2步進(jìn)電機(jī)的控制方式設(shè)計(jì)。
3.1 PWM脈沖序列的產(chǎn)生
PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本系統(tǒng)采用DSP產(chǎn)生脈沖序列,DSP28335共12路16位的ePWM,能進(jìn)行頻率和占空比控制。PWM信號(hào)頻率由時(shí)基周期寄存器TBPDR和時(shí)基計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式?jīng)Q定。初始化程序采用的計(jì)數(shù)模式為遞增計(jì)數(shù)模式。在遞增計(jì)數(shù)模式下,時(shí)基計(jì)數(shù)器從零開始增加,直到達(dá)到周期寄存器值(TBPDR),然后時(shí)基計(jì)數(shù)器復(fù)位到零,再次開始增加。
PWM信號(hào)周期與頻率的計(jì)算如下:
ePWM的時(shí)鐘
TBCLK=SYSCLKOUT/(HSPCLKDIV×
CLKDIV): (1)
Tpwm=(TBPRD+1)*Ttbclk: (2)
Fpwm=1/(Tpwm) (3)
其初設(shè)置程序流程圖如圖4所示。
3.2 步進(jìn)電機(jī)的控制
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式,手動(dòng)模式主要運(yùn)用于對(duì)自動(dòng)化和控制要求不高的場(chǎng)合,通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)的步移、加減速、正反轉(zhuǎn)和啟停。自動(dòng)模式運(yùn)用于對(duì)自動(dòng)化程度、控制精度要求高的工況。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目,本系統(tǒng)采用的控制方式主要為自動(dòng)模式。上位機(jī)上電后即開始檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室裝置(流量傳感器)輸出信號(hào),通過(guò)與事先設(shè)定好的兩個(gè)閾值A(chǔ)和B(B>A)進(jìn)行比較,當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度為零時(shí)電機(jī)推動(dòng)傳感器高速循環(huán)掃描現(xiàn)場(chǎng)直到信號(hào)強(qiáng)度大于閾值A(chǔ)時(shí),系統(tǒng)判斷為粗調(diào)成功。此后系統(tǒng)進(jìn)入微調(diào)階段,電機(jī)進(jìn)入低速運(yùn)行模式,傳感器低速移動(dòng)直到信號(hào)強(qiáng)度大于或者等于B強(qiáng)度時(shí)系統(tǒng)控制電機(jī)停止運(yùn)行。系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。在本系統(tǒng)中針對(duì)不同的工況設(shè)計(jì)的兩個(gè)信號(hào)閾值為程序設(shè)計(jì)中的周期寄存器提供了設(shè)置依據(jù),因?qū)嶒?yàn)室系統(tǒng)對(duì)精度要求較高,故周期寄存器設(shè)置的初值都較大從而使Fpwm的值較小,電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)較低。在本系統(tǒng)中選用EPWM2B端口輸出PWM的脈沖,GPIO1控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,GPIO2控制電機(jī)的啟停。
4 系統(tǒng)調(diào)試分析
4.1 PWM脈沖調(diào)制分析
圖6為DSP輸出的脈沖波形和其相對(duì)應(yīng)的參數(shù),通過(guò)修改參數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的改變,并且可以通過(guò)DSP的點(diǎn)對(duì)輸出控制電機(jī)的運(yùn)行。通過(guò)調(diào)試分析能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,持續(xù)地改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
4.2 控制精度調(diào)試
本系統(tǒng)采用電機(jī)推動(dòng)絲桿移動(dòng)裝置。絲桿采用的是滾珠絲杠,其為一種將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。
本系統(tǒng)選用的電機(jī)的最小步進(jìn)角為1.8°故控制精度調(diào)試實(shí)際就是絲桿精度的調(diào)試,本系統(tǒng)選用的絲桿的額定扭矩為4N.m,最小角位移對(duì)應(yīng)線位移為10 μm。
系統(tǒng)總體調(diào)試:
現(xiàn)階段系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果為通過(guò)按鍵和程序控制能夠很容易地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行,能夠通過(guò)計(jì)算得出電機(jī)的運(yùn)行角速度并送液晶屏顯示當(dāng)前過(guò)程量。連接好絲桿的電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器的推動(dòng)。通過(guò)上位機(jī)對(duì)傳感器信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),系統(tǒng)能夠基本滿足設(shè)計(jì)目的,即系統(tǒng)能自動(dòng)并有效地進(jìn)行最佳信號(hào)點(diǎn)的檢測(cè),達(dá)到對(duì)物塊的精確定位。
5 小結(jié)
本系統(tǒng)從實(shí)際工程背景出發(fā),旨在為實(shí)驗(yàn)室某項(xiàng)目提供技術(shù)支持。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試能夠從理論上實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目的,達(dá)到控制要求。通過(guò)硬件選型、軟件設(shè)計(jì)、控制方案研究和實(shí)際調(diào)試分析,系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。然而本系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題有待解決,因本系統(tǒng)是配合項(xiàng)目其他模塊而設(shè)計(jì)的,而其他模塊尚在調(diào)試階段,測(cè)試數(shù)據(jù)不精確,故電機(jī)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)模塊還有待提高,將在后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)程中進(jìn)一步研究。本系統(tǒng)當(dāng)前研究成果能夠適用于對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合,因系統(tǒng)的控制方法比較簡(jiǎn)單、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,有一定的應(yīng)用價(jià)值。