基于数字信号处理器的步进电机运动控制

    李  峻．李学全．胡德金

    (上海交通人学，上海  200030)

摘  要：介绍有关步进电机的伺服运动控制，设计了荩于数字信号处理器的运动控制系统。系统采用闭环控川，并采用CPLD简化硬件结构，提高整个系统的控制精度、品质以及系统的稳定性和可靶性。同时对步进电机的变速控制也作了一定的分折。

关键词：数字信号处理器；步进电动机；运动控制；伺服系统

1  引  言

    步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，因此在数控机床、机器人、自动化仪表等领域有着广泛的应用。随着电力电子技术的进步，特别是微机技术应用、新型控制策略的出现，人们对被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制，以及这些被控机械量的综合控制的要求越来越高。目前实现步进电机的驱动控制采用比较多的一种方案是以8031、8098等微处理器作为控制系统的CPU，通过一些中、大规模集成电路，如8253、8254等来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，从而实现步进电机的速度和位置定位。但在这种方案中，微处理器所需的周边器件较多，这往往会影响到整个系统的稳定性、可靠性，并且在某些控剐场合，系统的程序处理速度也成为制约提高系统实时控制性的一个瓶颈。

    本文作者采用DSP(Digital Signal Processor)作为系统控制微处理器，并结合CPLD(Complex PrograrnmabIe Logic Device)，设计了步进电机的数字运动控制系统。整个系统选用器件少，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，极利于步进电机的加减速控制。

2 DSP在步进电机的运动控制系统中的应用

2．1  DSP性能

    DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。DSP工芯片一般均采用特殊的软、埂件结构，其内部的基本结构包括哈佛总线结构、流水线指令结构以及一些专用的硬件乘法器等。DSP集成电路的优化设计以及一些特殊指令使得大部分DSP操作在一个指令周期内完成，通常DSP芯片均具有一些主要特点：

    (1)程序和数据空间分开，可以川时访问指令和数据。

    (2)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

    (3)快速的中断处理和硬件I／O支持。

    (4)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

    (5)支持流水线操怍，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

    DSP芯片作为软件可编程器件，具有通用微处理器方便灵活的特点，而且同工业自动化控制中常用的8位或16位单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。

2．2步进电机运动控制的应用及其难点

    目前研制的基于DSP的步进电机的运动控制系统，用于中凸变椭圆活塞裙部时的车削加工系统。在此车削加工系统中，刀具的进给是通过步进电机带动靠模来驱动，为实现车削加工活塞裙部的椭圆截面并保证活塞销孔轴线方向为椭圆短轴方向，在加工过程中刀具的进给频率必须保证为工件的回转频率的2倍，同时保持严格的相位对应关系。因此，该车削加工系统的一个关键问题就是控制驱动刀具的步进电机与主轴同步运行。该车削加工系统的系统控制框图见图1。

    整个控制系统以主轴的位置信号作为输入控制信号，通过安装在主轴、步进电机的光电脉冲发生器测出相应的位置、速度值，分别通过位置环和速度环反馈到控制单元。由控制单元根据反馈信号发生脉冲序列驱动步进电机，使之按照设定的比例关系同与机床主轴同步运行，并保持在一定宽范围内进行比例可调。该控制系统采用反应式步进电动机，按三相6拍方式运行，其步距角为0．75^o，同时采用1 000脉冲／圈的增量式光电脉冲发生器检测主轴和步进电机的相位位置，当主轴转速n=1 500r／min，若对主轴和步进电机每转的采样点m=1 000，则要求的采样周期T=60/mn=40μs，因此为保证步进电机能够同步跟踪主轴的运行，对控制系统的实时处理速度有较高的要求。另外，由于步进电机的矩频特性较软，电磁转矩丁随输入控制脉冲频率的增加而减小，在速度较高或加速度较大时，步进电机在脉冲转换时很容易引起失步，从而使得步进电机的动态性能变差，影响到电机的跟踪精度。为了提高步进驱动系统的精度和可靠性，在电机运行过程中，就必须进行适当的运动控制防