謝國鋼，王念興，李小海，姜淑忠

(1．上海交通大學(xué)，上海200240;2．大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院，黑龍江大慶163312)

0引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種通過電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)角度控制的機(jī)電執(zhí)行元件，與其他類型電機(jī)相比，具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種有效改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻特性和提高步進(jìn)精度的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，且可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

傳統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、D/A模塊、斬波比較電路、驅(qū)動(dòng)及功放電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等幾部分［1］，具有以下缺點(diǎn):

(1)器件多，故障率較高、成本高;

(2)開關(guān)頻率不確定，容易導(dǎo)致功率器件過熱;

(3)不能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器件對(duì)上位機(jī)命令的加減速控制，增加上位機(jī)的軟件工作量;

(4)細(xì)分?jǐn)?shù)小，不能很好地抑制振動(dòng)、失步現(xiàn)象;

(5)不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，無法滿足更高精度要求。

目前市場上已有很多高性能、功能強(qiáng)大的微處理器，能承擔(dān)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的大部分信息處理，可將系統(tǒng)簡化為微處理器、驅(qū)動(dòng)及功放電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等三個(gè)主要部分，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化處理，很大程度上克服了上述傳統(tǒng)系統(tǒng)的五個(gè)缺點(diǎn)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能大幅度提高。本文設(shè)計(jì)了基于48腳ARM芯片STM32F103的全數(shù)字化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)硬件

圖1為本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖，主要包括STM32F103芯片、IR驅(qū)動(dòng)芯片及H橋、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以及功能選擇撥位開關(guān)、電流采樣電路、供電電路、編碼器和控制輸入電路。為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和人機(jī)交互能力，還配置了CAN、RS485通訊接口和E2PROM。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

STM32F103芯片是該系統(tǒng)的核心，主要功能為根據(jù)給定輸入信號(hào)運(yùn)算出細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)，輸出至后續(xù)環(huán)節(jié)，另外還實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流閉環(huán)、位置閉環(huán)、保護(hù)、通訊等功能。驅(qū)動(dòng)芯片和 H橋接受STM32F103芯片的控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為二相混合式，轉(zhuǎn)子齒數(shù)或極對(duì)數(shù)p=50。功能選擇撥位開關(guān)決定細(xì)分?jǐn)?shù)、電流大小、單雙脈沖模式，給定輸入端口CP、Dir、Enable分別是脈沖、方向、使能信號(hào)的輸入口。傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電流閉環(huán)控制通過硬件模擬電路實(shí)現(xiàn)，且都為位置開環(huán)控制。本文設(shè)計(jì)的全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制通過電流采樣、STM32F103芯片處理實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)，并充分利用STM32F103芯片資源，增加編碼器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，以優(yōu)化系統(tǒng)的性能，減少失步、過沖現(xiàn)象，有效抑制振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

1．2 系統(tǒng)軟件

STM32F103芯片是系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的大部分信息處理。圖2為本文設(shè)計(jì)的由STM32F103實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)控制架構(gòu)。

單脈沖工作模式時(shí)，CP、Dir分別為上位機(jī)輸入到本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的脈沖和方向信號(hào)，CP經(jīng)加減速控制環(huán)節(jié)得到CP*，然后經(jīng)角度計(jì)算可以得到每步需要轉(zhuǎn)至的角度θ(絕對(duì)位置)，結(jié)合編碼器反饋的電機(jī)實(shí)際位置θ*，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸入至電流矢量控制環(huán)節(jié)。I為電流選擇模塊設(shè)定的電流值，結(jié)合兩相電流采樣值的合成值I*，經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出給電流矢量控制環(huán)節(jié)。電流矢量控制環(huán)節(jié)為軟件程序的關(guān)鍵，主要根據(jù)θ和I經(jīng)PI后的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，輸出兩相電流值Ia、Ib。PWM模塊則根據(jù)兩相電流值及對(duì)應(yīng)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)，輸出4路PWM。

圖2 系統(tǒng)控制架構(gòu)

一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品不包含加減速控制功能，因此要求上位機(jī)負(fù)責(zé)加減速控制，增加了控制系統(tǒng)的編程難度和軟件負(fù)擔(dān)。本文設(shè)計(jì)由驅(qū)動(dòng)器自身實(shí)現(xiàn)加減速控制，控制系統(tǒng)只需發(fā)簡單的步進(jìn)脈沖，甚至只需通過通訊方式將運(yùn)動(dòng)控制的幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)給驅(qū)動(dòng)器CPU，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的完整控制，大幅度減少了控制系統(tǒng)的工作量，使控制極為方便。

2電流矢量控制和細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用二相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，A相繞組電流和B相繞組電流正好相差90°電角度，如圖3所示，因此不需要坐標(biāo)變換處理，A相繞組軸線即為α軸，B相繞組理論軸線即為β軸。

圖3 二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流合成矢量

以A相電流為參考，電流合成矢量用復(fù)數(shù)形式可表示:

這是一個(gè)以Im為幅值、θ為輻角的矢量，當(dāng)θ角變化時(shí)，該矢量隨之旋轉(zhuǎn)。而電流合成矢量與電機(jī)內(nèi)部合成磁場近似線性相關(guān)，因此，只要控制Im恒定、θ角均勻變化，即可實(shí)現(xiàn)恒力矩、等步距角的電流矢量驅(qū)動(dòng)控制。

對(duì)于兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)采用兩相四拍工作方式時(shí)，只有 A+B+、A-B+、A-B-、A+B-四步，p=50時(shí)，整步步距角:

以1．8°機(jī)械角度為步距角運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)現(xiàn)象較嚴(yán)重，因此需要采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其基本思想是控制每相繞組電流的波形，使其階梯上升或下降，定子磁場的旋轉(zhuǎn)過程中也就有了多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的步數(shù)增多、步距角減?。?］。

對(duì)于兩相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，設(shè)細(xì)分?jǐn)?shù)為n，極對(duì)數(shù)為p，則細(xì)分步距角:

本文采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法，即控制每相電流按正弦規(guī)律階梯變化，使得電流合成矢量在空間做恒幅、等距旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［3］。圖 4 為細(xì)分?jǐn)?shù)n=4時(shí)的兩相電流正弦式階梯波形，而p=50，此時(shí):

圖4 二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相四拍四細(xì)分電流波形

增加細(xì)分?jǐn)?shù)可減小細(xì)分步距角，但細(xì)分?jǐn)?shù)也不可能無限增加，要考慮到微處理器的處理能力、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最高細(xì)分?jǐn)?shù)可達(dá)256，即最小細(xì)分步距角:

為了簡化程序、減少計(jì)算量，一般細(xì)分控制系統(tǒng)采取預(yù)制多個(gè)細(xì)分?jǐn)?shù)的電流值設(shè)定表，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)查表處理［4］。但是受存儲(chǔ)空間的限制，不可能存儲(chǔ)太多的細(xì)分?jǐn)?shù)電流值設(shè)定表，而且要實(shí)現(xiàn)不同細(xì)分?jǐn)?shù)控制間的無縫切換存在很大困難，無法滿足調(diào)速性能要求較高的系統(tǒng)。

本系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)下一步所需電流值，并且儲(chǔ)存一個(gè)周期計(jì)算結(jié)果至E2PROM，那么后續(xù)周期系統(tǒng)就可以做查表處理了，直至細(xì)分?jǐn)?shù)的改變，進(jìn)入新細(xì)分?jǐn)?shù)下的計(jì)算、儲(chǔ)存、查表。這樣，細(xì)分?jǐn)?shù)可以任意改變，存儲(chǔ)空間占用很少，不同細(xì)分驅(qū)動(dòng)之間的切換速度快，增加的計(jì)算量也是芯片力所能及的，整個(gè)細(xì)分驅(qū)動(dòng)性能就大大提高了。

本文控制兩相電流的方式是STM32F103芯片實(shí)時(shí)調(diào)整輸出到驅(qū)動(dòng)電路的PWM波占空比，即先根據(jù)給定信息與閉環(huán)反饋信息等計(jì)算或查表得到兩相電流值Ia、Ib，然后輸出對(duì)應(yīng)占空比的PWM波，使兩相電流按圖4的正弦規(guī)律變化。圖5為電流矢量控制程序流程圖，中斷入口為步進(jìn)動(dòng)作或細(xì)分?jǐn)?shù)改變。計(jì)算結(jié)果主要包括需給定的兩相電流值、電流值對(duì)應(yīng)的PWM波占空比。這種將計(jì)算、存儲(chǔ)、查表結(jié)合為一體的方法，使細(xì)分?jǐn)?shù)可以任意取(在微處理器能力范圍內(nèi))，從而使電流曲線更加平滑，電機(jī)性能大大提高。

圖5 電流矢量控制程序流程圖

為保證電流矢量控制的精度，系統(tǒng)采用電流閉環(huán)控制。傳統(tǒng)的電流閉環(huán)電路是主要通過硬件斬波電路實(shí)現(xiàn)的，本文將電流閉環(huán)也數(shù)字化，在各相H橋接地端串接一個(gè)0．1 Ω的采樣電阻，如圖6所示，采樣信號(hào)經(jīng)過濾波、放大后輸入到STM32103芯片的ADC口，通過STM32F103芯片來實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，并設(shè)計(jì)電流PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使電流控制更精確。

圖6 A相H橋和電流采樣電路

3加減速控制和位置閉環(huán)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的過程中，要經(jīng)歷加速、恒速、減速過程。沒有加減速過程容易出現(xiàn)失步和過沖現(xiàn)象，而不合理的加減速控制同樣會(huì)影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作效率［5］。

加減速控制曲線主要有直線型、S型、指數(shù)型。直線型因受極限頻率限制，斜率不能很大，故加速時(shí)間較長;S型加減速性能較好，編程較直線型復(fù)雜;指數(shù)型編程很復(fù)雜，占用機(jī)時(shí)長［6］。綜合考慮，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用S型加減速，如圖7所示。

以圖7曲線為加減速控制策略，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息，可以分析出加速、恒速、減速的步數(shù)及具體的加減速控制處理方法［7］，加減速控制子程序流程圖如圖8所示。

圖7 S型加減速曲線

圖8 加減速子程序流程圖

一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)充分利用其開環(huán)精度較高而沒有配置位置傳感器。但是隨著科技的發(fā)展，很多設(shè)備、儀器的精度要求越來越高，除了改進(jìn)開環(huán)控制，位置閉環(huán)也早已投入實(shí)際應(yīng)用，而且將是趨勢(shì)所在。本文采用編碼器作為位置傳感器，反饋信號(hào)直接輸入到STM32F163芯片作位置閉環(huán)控制處理，實(shí)現(xiàn)了電流、位置雙閉環(huán)控制。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 實(shí)驗(yàn)波形圖

實(shí)驗(yàn)中，為體現(xiàn)加減速控制性能，正轉(zhuǎn)半圈(66 ms)、停 10 ms、反轉(zhuǎn)半圈(66 ms)、停 10 ms，周期循環(huán)動(dòng)作。圖9為實(shí)驗(yàn)中 Dir、Pulse、Ia的波形，下圖為上圖的一小段時(shí)間的放大效果。由圖9可直觀地看到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制過程，加速、減速過程時(shí)間分別為20 ms，旋轉(zhuǎn)半圈耗時(shí) 64 ms，共 25個(gè)電流周期。恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，一個(gè)電流周期(4 整步)為1．72 ms，則轉(zhuǎn)速:

實(shí)驗(yàn)時(shí)在轉(zhuǎn)軸上做定位標(biāo)記，每轉(zhuǎn)一段時(shí)間讓電機(jī)停止，觀察電機(jī)位置以判斷電機(jī)是否出現(xiàn)失步現(xiàn)象。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，本細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)加速起動(dòng)、高速運(yùn)行、減速停止，且保證電機(jī)不失步。

5結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器充分利用STM32F103芯片的資源，通過對(duì)電流的矢量控制，實(shí)現(xiàn)了恒幅、均步的任意細(xì)分驅(qū)動(dòng)，并將加減速控制亦集于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使上位機(jī)控制不用考慮加減速，控制更加方便、簡單。增加了位置閉環(huán)控制、通訊接口，使系統(tǒng)能夠適用于高要求的場合。整個(gè)系統(tǒng)以STM32F103芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化處理，簡化了電路，使系統(tǒng)性能優(yōu)化，降低了故障率和成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

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