关键字： 步进电机；闭环；反馈；DSP
0 弁言
步进电机是将数字信息直接转换为角位移的掌握元件，因其掌握简便、起停迅速以及步进精确等特点，被广泛运用于数控机床、机器人等自动化掌握领域。尤其在数控设备的刀具快速定位系统中，因对位置和速率掌握有着较高哀求，以单片机作为掌握系统的主处理芯片在系统稳定性以及处理速率上制约着系统实时性和快速性。通过采取DSP（Digital Signal Processor）芯片作为作为主掌握芯片的步进电机闭环掌握系统，在功率驱动电路设计上采取东芝公司的THB664H专用驱动芯片，极大地简化了外围硬件电路，使得掌握器和驱动器一体化设计更为简便。本文详细先容了步进电机闭环掌握系统的紧张硬件电路和软件设计过程。
1 步进电机的掌握系统构造
1.1 DSP简介
DSP即数字旗子暗记处理器，是一种专门用来实现各种数字旗子暗记处理算法的微处理器。文中选用TI公司的TMS320F2812作为主掌握芯片，片内集成了丰富的外设模块，简化了系统的硬件设计；快速的中断处理能力和硬件I/O支持，担保了系统实时相应的能力；片内具有快速RAM同时采取改进的哈佛总线构造，可以通过独立的总线对多个存储器进行并行访问而且可同时完成获取指令和数据读取操作。与常用的16位单片机比较，DSP可用于繁芜的数字旗子暗记算法处理，在实时性和灵巧性上以及高速的数据处理能力上有着明显的上风。
1.2 系统总体方案设计
由于步进电机驱动器本身也属于数字器件，且位置和速率等组成的闭环反馈都可以通过广电编码器等传感器来实现数字化，因此在步进电机闭环掌握系统中选用DSP作为处理器。TMS320F2812通过串口吸收上位机的位置指令，并通过吸收与步进电机同轴迁徙改变的光电编码器发出的位置反馈脉冲旗子暗记作为中断旗子暗记，DSP根据所打算出的差值信息，发送位置脉冲和方向脉冲旗子暗记给驱动器，由驱动器驱动步进电机事情。并通过液晶实时显示出电机位置及速率等信息，通过全体系统的闭环掌握从而实现数控设备中刀具的快速精确跟踪定位。文中DSP掌握系统通过掌握两个56BYG250C两相步进电机从而掌握刀具在X、Y方向位移，系统的总体框图如图1所示。
2 硬件电路设计
步进电机掌握系统紧张由DSP掌握单元、电源模块、串口通信电路、反馈检测单元、功率驱动模块、复位电路等组成。以下详细先容了串口通信电路以及功率驱动电路等掌握电路的设计过程。
2.1 串口通信电路设计
串口通信模块的SCI接口采取发送和吸收双线异步通信接口。系统DSP掌握单元须要通过与上位机通信进行数据交流，上位机的高低电平为±12 V，DSP的高低电平为0～3.3 V，故而须要进行电平转换。系统采取了常见的MAX232电平转换芯片，其输出的电平经由分压电阻进一步的压降产生3.3 V电压后与DSP管脚直接连接。串口通信模块电路如图2所示。
2.2 功率驱动电路设计
THB664H是一款专业的PWM斩波两相步进电机专用驱动芯片。内部高度集成了衰减模式设置、细分、CMOS功率放大等电路。配以大略的外围电路就可以实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。通过4位8档细分掌握(1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64)，内置过热欠压保护和电流检测。功率驱动部分电路图见图3。
为提高掌握系统的可靠性，避免因负载变革而产生过电流破坏掌握芯片及驱动芯片，故采取了HCPL2530高速光电耦合器进行旗子暗记隔离，不仅完成了掌握旗子暗记的电平转换和实现了各器件间的有效隔离，同时也对掌握旗子暗记进行整形，提高了系统的整体掌握精度。硬件电路设计中光耦隔离模块两侧电路电源必须分别采取独立的供电电源。
3 软件设计
3.1 步进电机的位置检测
步进电机是将电脉冲旗子暗记转变为角位移或线位移的开环掌握元件。在非超载情形下，步进电机驱动器吸收一个脉冲旗子暗记就按预定方向驱动步进电机迁徙改变一个固定角度。DSP2812中事宜管理模块的定时器和比较单元可用来产生两路电机所需的位置旗子暗记脉冲。
当DSP事宜管理器EV的捕获单元QEP模块被使能，与步进电机同轴迁徙改变的光电编码器产生的相差四分之一周期的正交脉冲序列被作为事宜管理器中计数寄存器的时钟源，从而得到光电编码器反馈的脉冲个数。事宜管理器的计数器寄存器会在正交脉冲的每个跳变沿按照脉冲捕获的先后顺序进行定向的计数增减，进而确定步进电机的转向和电机转过角度。电机相对付初始位置的角度为：
n为计数寄存器确当前值，n1为计数寄存器的初始值，L为光电编码器线数。
3.2 掌握系统主程序系统设计
系统开始运行后首先要进行初始化设置，然后对初始位置和预定位置进行差值比较，根据位置差值判断步进电机下一时候转向，并通过改变I/O 口电平的高低掌握电机转向。电机运转过程中的脉冲n打算公式为：
式中，为初始位置与预定的差值，r为步进电机的步距角。
DSP掌握器通过改变事宜管理器中周期寄存器和比较寄存器的值，进而调度PWM波的频率和宽度，实现脉冲旗子暗记连续平稳的发送。主程序流程图如图4所示。
4 软件设计中的一些问题
4.1 A/D采样中的滤波
系统对电流掌握的准确性和精度决定了步进电机的运行性能，对电流的闭环掌握须要进行A/D采样来完成，但是掌握系统在实际事情中的滋扰是不可避免的，因此在电流的A/D采样电路中必须要采取相应的滤波方法来减小滋扰。例如在电流的硬件部分采取二阶低通滤波，在软件设计中也须要采取滑动均匀值滤波办法等相应的滤波方法来进一步提高掌握系统的性能。
4.2 运算中溢出问题的办理以及打算精度的提高
在程序打算过程中须要考虑运算溢出的问题。在打算电机角位移θ时，程序给直角进行格式标定，在捕获单元中断子程序中，每一次步距角累加后都须要将角位移θ的值和7FFFH相与以避免溢出。基于打算精度的考虑，在程序中采取了32位乘法和加法运算。采取DSP2812中的16×16的硬件乘法器，须要用两个16位数来保存其乘法打算的结果，加法运算中为了和乘法运算结果匹配也须要用32位，打算结束后将从32位打算结果中选取得当的16位作为输出。
5 结论
在剖析了步进电机事情事理和紧张特点的根本上，设计了以TMS320F2812作为主控芯片的步进电机闭环掌握系统的硬件电路和运行软件，实现了掌握与驱动的一体化，比较较开环掌握系统中的失落步征象得以有效掌握；光电编码器的检测反馈电路以及SCI串口通信电路等实现了对步进电机位置的精确闭环掌握。结果表明，所建立的步进电机闭环掌握系统有效提高了刀具定位精度，知足快速相应哀求。
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