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步进电机论文:基于TMS320F2812的步进电动机任意可变细分控制系统研究
 
 
基于tms320f2812的步进电动机任意可变细分控制系统研究
  
摘要:介绍了一个为控制核心、采用电流矢量恒幅均匀旋转技术实现对三相混合式步进电机的全数字细分控制系统,分析了细分驱动原理,并对细分的实现方法做了改进,以实现任意可变细分。实验结果表明,系统具有良好的性能和较好的灵活性。
关键词:dsp;步进电机,细分驱动,数字控制,实验。
1细分驱动原理
    细分驱动在本质上就是把绕组的矩形电流波供电改为阶梯状电流供电。这就要求绕组中的电流以若干个等宽的阶梯上升到额定值,并以同样的阶梯从额定值下降,这样绕组所产生的磁场矢量就存在多个中间状态,合成磁场也将有多个稳定的中状态.转子就沿着这些中间状态以微步距转动。合成磁场矢量幅值决定了电机旋转力矩的大小,而相邻两合成磁场矢量夹角决定了步距角的大小。
  要使电机平稳、匀速、等步距转动,关键是合理控制绕组中的电流,使步进电机内部合成磁场的幅值恒定,且合成磁场的角度变化也要均匀。为了使电流矢量实现幅值恒定的旋转运动,需要在各相绕组中通以阶梯状的正弦电流。具体到三相混合式步进电动机,即在三相绕组a、b、c中通以电流相位相差120韵阶梯状正弦电流,即:


    由上式可见,步进电机各相在通以‘、”t的电流时,电机总的电流矢量就可以实现恒幅均匀旋转,磁场矢量也是恒幅均匀旋转的,因此采用正弦波细分驱动就可以实现步进电机的恒转矩、微步运行。
2任意可变细分实现
    一般细分控制系统的处理方法是将事先根据式(1)计算出来的对应于不同n值印分数)的电流设定值,制成表格存储在存储器中,系统运行时基于州s320f2812的步进电动机旺意可变姻爷控制系短研宅腼墨香,等只需要对表格进行查询即可。这样****的优点就是程序编制简单,对控制器的计算速度要求低。但是这种做法存在两个方面的缺陷,第一,一种细分数对应一个电流的设定表,不可能储存太多的设定值表格,也就不能做到真正的任意细分:第二,在伺服系统中,要求电机有很好的调速性,而电机运行的细分数跟转速是相互联系的,细分数的时候,电机转速就不可能太高,也就是说对调速性有很高要求时,****是能对电机的细分数进行快速切换。但是用上面的方法,在变换细分数时,要在两个表格之间找到结合点,实现则比较麻烦,如果要经常性的做这样的切换那就更困难了。
    分析式(1)、式(2)可以看到,细分驱动真正要达到的目的是磁场按要求变化,即对矗和o控制;矗为常量,o以特定的lllo flllo=丛业)变化二o值对应细分数n,如果直接对lllo进行调整,就可以真正实现任意可变细分。这样,式(1)应改为:
     

系统实现时只要在每次换步之前计算出下一步的小《](可通过三相平衡推出),对绝大部分控制器来说在一个nvm周期中完成这点运算是绰绰有余的,况且电机运行一步往往包括很多个
m,m周期。同时,为减少控制器的负担,可以在改变细分数后,将实时计算出第一个周期的电流设定值保存起来,从第二个周期开始,系统就可以按查表法来获取各相电流设定值。
3系统实现
3.1硬件
    本文提出的驱动系统以高性能dsp芯片删$320f2812为核心,加入驱动电路、电流检测电路、各种通信接口和键盘显示电路,构成功能齐全的三相混合式步进电机细分驱动系统的硬件
平台。整体框图如图l所示。
   

1)驱动电路
    构成三相桥的功率管采用rf530n,其功率等
级为100 v、15 a。功率管驱动器选用r2110。dsp的6路nvm信号经高速光耦隔离后输入到r2110。图2为系统中a相驱动电路图。
    2)采样电路
    所以本系统对各相电流进行采样,以实行电流闭环控制。f2812带有16路输入通道的12位精度的高速adc,可以对三相步进电机的各相电流进行检测。图3为系统采样电路。

在各相绕组中串接了一个0.1(2的采样电阻,把要检测的电流量转化为电压量,经过放大调整,然后由高速线性隔离光耦为hcnr200及运放组成的线性隔离电路对信号进行隔离,再通过有源低通滤波器对信号进行滤波,最后把处理完的采样信号送入f2812的adc输入端。
3.2软件设计
  根据前文分析,系统控制原理如图4所示。根据需i l计算电流l t一要确定h庙宇值h。与△0i l(保存)l

    在编制系统程序时,将电流设定值的计算程序放在主循环程序中完成,而采样值的处理、pd调节、刚m波形的产生等程序放在中断程序中完成。
4实验
    系统以三相混合式步进电机85by口350b为实验对象进行研究。其基本参数为:步距角0.6。/1.2。;驱动电压24 v:相电流3 a:转矩4 n·m。
    图5为电机以lll0=2。(即180微步)运行时的a、b相电流波形。表1为运行100步时电机转过的角度。
  
    根据表1可计算出电机此时走100步转过的平均角度为:4.02。,理论值为4。:标准方差为0.114。考虑到测量工具的误差大于0.1。,电机运行时的定位精度还是很高的:同时图5表明,系统对相电流的控制效果比较理想。
    图6为电机在细分数变化的情况下a、b相的电流波形。图中电机以lllo=1。(即360细分)起动,运行10步后llr0加l。,直到lll0=20。饵『】18细分)后,电机保持以lllo=20运行。在换步时问不变的情况下,改变lllo就可以改变电机的转速。用上述方法可以很方便地实现步进电机的起动过
程加速。


5结语
    本文以删s320f2812为主控器,设计了全数字步进电机细分控制系统,同时对混合式步进电机细分驱动的实现方法进行改进。实验表明,控制系统运行品质大大提高,真正实现了任意可变细分,细分数的切换可以很容易地完成。
参考文献
[1]刘宝延,程忖康步进电机墨其驱动控制系统[m]哈尔 滨:哈尔滨工业弋学出板社,199 7
[2]董睦,张耀明,邹丽新,等基于电流矢量恒幅均匀旋转的步进电机细奇控制墨光学控洲技卡洲控技卡与设备,2003,  (6)
[3]笔谚  r2110功率驱动隼戎芯叶应用[lill电子工程师,2004,  (10)

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