利用DSP處理器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)高速細(xì)分模塊的設(shè)計(jì)方案研究

1、 引言

步進(jìn)電機(jī)定位準(zhǔn)確且與數(shù)字電路接口連接非常方便，無(wú)需反饋就可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的角位移，在數(shù)控機(jī)床等許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)的研究日趨深入，該技術(shù)不僅解決了步進(jìn)電機(jī)步距角大的問(wèn)題，提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，而且也改善了電機(jī)的其他性能。從而使步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，控制更加靈活。

2、 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本原理

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分功能采用數(shù)／模轉(zhuǎn)換技術(shù)，用階梯波驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方波驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)能以微步距“連續(xù)運(yùn)動(dòng)”。具體辦法一般為：微處理器接收步進(jìn)信號(hào)的輸入，經(jīng)內(nèi)部識(shí)別處理后，查表得到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流大小。并將這個(gè)數(shù)值與當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的工作電流比較，滿足條件電流通，不滿足則斷。由此得到用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的正弦波階梯電流信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)的相電流按近似正弦波的波形變化，使得電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，示意圖如圖1所示。

3、 MC56F8323簡(jiǎn)介

DSP處理器采用Freescale公司的MC56F8323，56F8300系列被稱為“合成控制器”，其含義是該器件采用的是結(jié)合了DSP與MCU功能的56800E內(nèi)核。MC56F8323內(nèi)核中保留了最常用和最有用的DSP和MCU指令集，簡(jiǎn)化了編程難度，允許習(xí)慣于MCU的設(shè)計(jì)工程師采用C編譯器進(jìn)行編程，簡(jiǎn)化了其DSP代碼的編譯。MC56F8323內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，擁有7條內(nèi)部程序總線和數(shù)據(jù)總線，其中2條為32位寬；內(nèi)部的數(shù)據(jù)RAM具有兩個(gè)端口，因此可在單個(gè)周期中進(jìn)行兩次存取。這些特性對(duì)于處理器的處理控制能力非常重要。

4 、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)模塊主要由變壓器、整流器、MC56F8323、MOSFET橋、電流檢測(cè)、保護(hù)電路等組成。MOSFET橋的開(kāi)斷采用PWM控制，與MC56F8323的PWM模塊相連（P3、P4）；細(xì)分級(jí)選擇撥盤開(kāi)關(guān)、電流設(shè)置開(kāi)關(guān)、各控制信號(hào)與MC56F8323的GPIO相連。MC56F8323及其外圍電路圖如圖3所示。

5、 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。模塊上電后，系統(tǒng)初始化，MC56F8323檢測(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向設(shè)置，當(dāng)MC56F8323接收到步進(jìn)脈沖信號(hào)時(shí)，在預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)中查找出相應(yīng)相位的電流值，MC56F8323內(nèi)置的PWM控制器輸出脈沖信號(hào)，開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的MOSFET功率管，使電機(jī)朝設(shè)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)；電樞電流流經(jīng)霍爾器件，產(chǎn)生與電樞電流成比例的電流值，此電流值經(jīng)過(guò)I／V轉(zhuǎn)換放大，輸入MC56F8323的A／D轉(zhuǎn)換器輸入端，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)相位的預(yù)定值比較，如果電樞電流小于預(yù)定值，PWM繼續(xù)有效，MOSFET導(dǎo)通；若電樞電流大于預(yù)定值，PWM無(wú)效，MOSFET斷開(kāi)；延遲一段時(shí)間后，PWM重新有效，系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)電樞電流進(jìn)行檢測(cè)，如此反復(fù)，直到下一個(gè)步進(jìn)脈沖到來(lái)，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找出新的預(yù)定電流值，轉(zhuǎn)換結(jié)果將與此值作比較，輸出對(duì)應(yīng)的PWM，控制MOSFET的工作狀態(tài)。

其他附加功能實(shí)現(xiàn)分別如下：通過(guò)控制I／V轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)，達(dá)到電流可調(diào)的目的；系統(tǒng)每接收到步進(jìn)脈沖，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，新的步進(jìn)脈沖清零計(jì)數(shù)器初值，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到0.1 s，自動(dòng)將電機(jī)當(dāng)前電流值減半，進(jìn)入半電流省電工作模式，便于下次啟動(dòng)；系統(tǒng)試機(jī)功能采用MC56F8323片內(nèi)計(jì)數(shù)器分頻輸出的10 kHz脈沖信號(hào)作為步進(jìn)脈沖，控制系統(tǒng)運(yùn)行，以檢查系統(tǒng)的工作狀況；相位記憶功能使DSP記住數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的當(dāng)前位置，下次步進(jìn)脈沖將從當(dāng)前位置向下、向上取得新的各相電流預(yù)定值。

保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)如下：通過(guò)對(duì)母線電壓分壓取樣，放大后，通過(guò)窗口比較器，如果發(fā)現(xiàn)高于預(yù)定最高值或低于預(yù)定最低值，向MC56F8323發(fā)出中斷請(qǐng)求，MC56F8323立即響應(yīng)中斷請(qǐng)求，屏蔽步進(jìn)脈沖輸入，關(guān)閉系統(tǒng)總電源，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能；將兩相電流絕對(duì)值相加，如果大于預(yù)定值，說(shuō)明流經(jīng)電機(jī)電流過(guò)大，電機(jī)負(fù)載過(guò)重，則屏蔽步進(jìn)脈沖輸入，關(guān)閉電源，實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)載保護(hù)；防浪涌電流、泵升抑制電路采用全硬件方式實(shí)現(xiàn)，提高反應(yīng)速度。

6 、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱、斷（缺）相、防浪涌電流、泵升電壓抑制等功能的步進(jìn)電機(jī)高速細(xì)分模塊方案，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的高速精確控制，同時(shí)也附加了完整的保護(hù)系統(tǒng)，擴(kuò)展了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，具有廣闊的應(yīng)用空間和市場(chǎng)前景。