【正文】 標(biāo)位，作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。所以在速度控制中，速度并不是一次升到位。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過(guò)程。所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速要有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過(guò)沖的前提下，用最快的速度（或最短時(shí)間）移動(dòng)到制定的位置。 最簡(jiǎn)單的是勻加速和勻減速曲線，如圖 26(a)所示。所以按直線加速時(shí)，有可能造成因轉(zhuǎn)矩不足而產(chǎn)生失步現(xiàn)象。 2. 中短距離 在這樣的距離里，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只有加減速過(guò)程，而沒(méi)有恒速過(guò)程。在恒速時(shí)，盡量工作在最高速。如： ICETEKVC5509A評(píng)估板。如： ICETEKCTR 控制板。 硬件設(shè)備 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備有計(jì)算機(jī)， ICETEK 仿真器 ,ICETEKVC5509A系統(tǒng)板，相關(guān)連線，電源。目前，Xilinx 公司 XC9500 系列 CPLD 的 tPd 可以達(dá)到 4ns。 XC9500XL 系列是 XC9500 系列器件的低電壓版本，用 供電，成本低于XC9500 系列器件。 PWM 脈沖寬度有另一個(gè)具有所需 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 值得調(diào)制信號(hào)決定或調(diào)制。由比較方式控制寄存器（ ACTRx）所控制的多種輸出方式，能輕易的控制應(yīng)用廣泛的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和同步磁阻電動(dòng)機(jī)。 如果使能死區(qū)，則設(shè)置和裝在 DBTCONx 寄存器。 設(shè)置和裝在 T1CON 或 T3Con 寄存器，來(lái)啟動(dòng)比較操作。 圖 31 給出了 EVA 模塊下的非 對(duì)稱的 PWM 波形，途中 x=1 、 3 和 5，對(duì)于 EVB 模塊也類似。如果死去被使能，則通過(guò)軟件將所需的死區(qū)值寫入到 DBTCONAL[11~8]中，并將它作為四位死去定時(shí)器的周期。 通用定時(shí)器 1 啟動(dòng)后，比較寄存器在每個(gè) PWM 周期種可重新寫入新的比較值，以調(diào)整用于控制功率器件的導(dǎo)通和管段時(shí)間 PWM 輸出的寬度（即占空比發(fā)生變化）。對(duì)稱 PWM信號(hào)相比非對(duì)稱 PWM 信號(hào)，其優(yōu)勢(shì)在于它在一個(gè)周期內(nèi)有來(lái)年各個(gè)無(wú)暇的區(qū)段（每個(gè) PWM 周期的開始和結(jié)束處）。在對(duì)稱 PWM 波形發(fā)生的一個(gè)周期內(nèi)通常有兩次比較匹配：一次在周期匹配前的增計(jì)數(shù)期間。以下 3 種方法都可以改變占空比的值： 1. 定寬調(diào)頻法：這種方法保持 t1，不變，只改變 t2,這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。目前，在電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。這一接口提供地址連線、數(shù)據(jù)連線和一組控制線 .ICETEKVC5509A將這些擴(kuò)展線引到了板上供擴(kuò)展使用。 5509A 的通用 I/O 口 S22 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率， S14控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向。連接 ICETEKCTR板上便插座插到 +12V 電源插座； ICETEKCTR 板下邊插座到 +5V 電源插座。 6．設(shè)置 Code Composer Studio 在硬件仿真（ Emulator）方式下運(yùn)行： 設(shè)置 CCS 通過(guò) ICETEK5100USB 仿真器連接 ICETEKVC5509A 硬件環(huán)境進(jìn)行軟件調(diào)試和開發(fā)： 雙擊桌面上的圖標(biāo)，進(jìn)入 CCS 設(shè)置窗口；在出現(xiàn)的窗口中按以下順序依次進(jìn)行設(shè)置：?jiǎn)螕?Clear 清除原先設(shè)置，單擊 ICETEK USB Emulator for ’ C55x，單擊 Import 輸入設(shè)置；按著下面的順序進(jìn)行：鼠標(biāo)右鍵單擊 C55xx XD5510 Emator，選擇 Properties… Alt+Enter。 4．連接鍵盤的 PS2 插頭到 ICETEKCTR 的“鍵盤接口” P8。 操作步驟 連接設(shè)備： 1．連接電源：用三相帶能源連接線與 220V 交流供電插座連接，保證穩(wěn)固聯(lián)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率大于 500PPS（拍每秒）。從DSP 輸出的 PWM 信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)先經(jīng)過(guò) 2 與門和 1 非門再與各個(gè)開關(guān)管的柵極相連。 3. 定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期 T（或頻率）保持不變，而改變 t1 和t2[8]。這種修改 PWM 波形的特性，可以彌補(bǔ)由交流帶你動(dòng)機(jī)控制中的死去導(dǎo)致的電流誤差 [12]。圖 32 給出了比 較單元和 PWM 電路產(chǎn)生對(duì)車 PWM 波形。同樣，在周期的任何時(shí)候，可以將新值寫入周期寄存器 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 T1PR 和比較方式控制寄存器 ACVTRA 中 ，以改變 PWM 周期或強(qiáng)制改變 PWM的輸出方式。 用軟件對(duì) ACTRA 寄存器進(jìn)行正確的配置后，與比較單元相關(guān)的一個(gè) PWM輸出引腳上將產(chǎn)生一路正常的 PWM 信號(hào)，與此同時(shí)，另一個(gè)輸出引腳可在PWM 周期的開始、中間和末尾處保持低電平（關(guān)閉）或高電平（開啟）。通用低昂是器 1 的周期寄存器中裝入了所需 PWMW 載波周期的值。 3． 非對(duì)稱 PWM 波形的產(chǎn)生 邊沿觸發(fā)或非對(duì)稱 PWM 信號(hào)的特性有 PWM 周期中心非對(duì)稱的調(diào)制脈沖規(guī)定，如圖 31 所示。 初始化 CMPRX 寄存器。如果需要，則每個(gè)通用電石氣的比較單元可給予它自身的定時(shí)器產(chǎn)生一路 PWM 輸出。在 EVA 和 EVB 模塊中都有 6個(gè)這種 與比較單元相關(guān)的 PWM 輸出引腳。這些脈沖平均分布在一段定長(zhǎng)的周期中，從而每個(gè)周期中有一個(gè)脈沖。 XC9500、 XC9500XV 和 XC9500XL 三種類型，內(nèi)核電壓分別為 5V、 和 。 XC9500 系列被廣泛地應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品中。如： for‘ C5000。如： ICETEK5100USBA 仿真器。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 第 3章 電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 開發(fā)環(huán)境 開發(fā) TMS320C55xx 應(yīng)用系統(tǒng)一般需要以下設(shè)備和軟件調(diào)試工具： 1. 通用 PC 一臺(tái)，安裝 Windows2020 或 WindowsXP 操作系統(tǒng)及常用軟件（如 WinRAR 等）。由于距離較長(zhǎng)，要盡量縮短用時(shí)，保證快速反應(yīng)性。因?yàn)榘粗笖?shù)規(guī)律升速時(shí)，加速度是逐漸下降的，接近步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在按直線加速時(shí)，加 速度是不變因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。如圖 26是加減速運(yùn)行曲線。如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái)，由于慣性作 用，步進(jìn)電機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象，會(huì)造成位置精度降低。它們對(duì)運(yùn)行的速度都有一定的要求。它與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān)，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步，絕對(duì)位置就加 1；當(dāng)步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，絕對(duì)位置隨每次步進(jìn)減 1[11]。 第二個(gè)參數(shù)是從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離，也可以稱為相對(duì)位置。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以用不著借助位置傳感器而只需簡(jiǎn)單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。因此，脈沖的頻率 f 決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2. 控制步進(jìn)電機(jī)的方向 通過(guò)前面介紹的步進(jìn)電機(jī)原理我們已經(jīng)知道，如果按給定的工作方式正序通電換相的話，步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動(dòng)機(jī)就反 轉(zhuǎn)。在步進(jìn)電機(jī)的 DSP 控制中，控制信號(hào)是由 DSP 產(chǎn)生的。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)把上面的脈沖順序反向即可。此圖中的轉(zhuǎn)子共四十八個(gè)齒。其結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 26所示。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 1 是該四相反 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 六拍工作時(shí)，各相通電的電壓和電流波形如圖 24 所示。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正傳通電順序?yàn)椋?AABBBCCCA；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?AACCCBBBA。由圖可見(jiàn)，每一拍中，都有兩相通電，每一相通電時(shí) 間都持續(xù)兩拍。在雙三拍工作方式中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?ABBCCA；反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?BAACCB；反轉(zhuǎn)的順序?yàn)椋?BAACCB。我們希望繞組中的電流也能像電壓一樣突變 ,這一點(diǎn)與其他電動(dòng)機(jī)不同 ,因?yàn)檫@樣會(huì)使繞組在通電時(shí)能迅速建立磁場(chǎng) ,斷電時(shí)不會(huì)干擾其他相磁場(chǎng)。 在用單三拍方式工作時(shí) ,各相通電的波形如圖 22 所示 .其中電壓波形是方波 。 轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角θ N， ，可用 式 （ 2— 2） 計(jì)算 ， N 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作拍數(shù)。至此，所有的狀態(tài)與最初時(shí)一樣，只不過(guò)轉(zhuǎn)子累計(jì)轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒距。轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，向與 B 相成對(duì)齒的位置轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)就是基于這一原理轉(zhuǎn)動(dòng)的。所以，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯(cuò)齒存在，也就是說(shuō)，當(dāng)某一相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，其他相必須處于錯(cuò)齒狀態(tài)。對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)某一相的磁極處于最大磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置如圖 21(a)。其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同，形狀相似。 定子上有六個(gè) 磁極 ，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極丟纏有 同 一繞組，也即形成一相，這樣三對(duì)磁極有三個(gè)繞組，形成三 相。需供給正負(fù)脈 沖信號(hào)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做的很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。 8．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 6．由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可靠。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 (電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚?)。在它的作用下，電機(jī)隨頻率 (或速度 )的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降 。 2． 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度 。 。 、三相的為 176。 ），這個(gè)步距角可以稱之為 ‘ 電機(jī)固 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 有步距角 ’ ，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān) [6]。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī) (HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)由較 早的開環(huán)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)，逐漸發(fā)展成為高性能的步進(jìn)伺服系統(tǒng)、 步進(jìn)電機(jī)伺服控制。主要包括系統(tǒng)初始化模塊；信號(hào)采集模塊；主控制程序模塊； PWM 輸出模塊等。 3．電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路的實(shí)現(xiàn)。 論文的主要內(nèi)容 本論文 的主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．實(shí)現(xiàn)電機(jī)的 DSP 調(diào)速控制。因此可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制規(guī)律，如優(yōu)化控制、智能控制等現(xiàn)代控制理論和算法的應(yīng)用。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展， DSP 芯片的功能將會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。單獨(dú)設(shè)計(jì)的控制器也可以滿足 系統(tǒng)的要求，但是這樣會(huì)使影響系統(tǒng)性能的來(lái)源增加，對(duì)系統(tǒng)的安裝、測(cè)試等就造成了諸多不便。由 DSP 輸出脈寬波來(lái)決定功率管的導(dǎo)通時(shí)間、方式與順序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。它們的檢測(cè)過(guò)程通常根據(jù)物理學(xué)原理利用傳感器將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再來(lái)檢測(cè)?？刂葡到y(tǒng)中信號(hào)檢測(cè)是必不可少的，尤其是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，狀態(tài)信息的檢測(cè)更加重要。其次是如何反映電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大小，以便有效地控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。信 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 號(hào)檢測(cè)、傳感主要指轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，電流與 電壓檢測(cè)等。在電機(jī)的 DSP 控制中主要有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： 1．控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿?zhí)行元件之一，在實(shí)際工作中承擔(dān)的主要任務(wù)是拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載實(shí)現(xiàn)位置伺服、速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩或力的控制。開關(guān)磁阻電機(jī)直到 20 世紀(jì) 60 年代大功率晶閘管得到廣泛應(yīng)用后才得以深入研究。 4． 變磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)變磁阻電機(jī)主要有同步磁阻電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是磁極位置檢測(cè)與無(wú)換向器電機(jī)一樣比較簡(jiǎn)單，通常為磁敏式霍爾傳感器，驅(qū) 動(dòng)控制易于實(shí)現(xiàn)，主要用于恒速驅(qū)動(dòng)、調(diào)速驅(qū)動(dòng)和精度要求不很高的位置伺服系統(tǒng)。如繞線式感應(yīng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等，而鼠籠式感應(yīng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電子變頻、變極調(diào)速等。 電機(jī)控制系統(tǒng)的類型 在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常需要使用各種各樣的驅(qū)動(dòng)電機(jī)， xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 如直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 4. 新型電機(jī)和無(wú)傳感器控制技術(shù)研究 各種電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)電機(jī)本身提出了更高的要求，需要研究新型電機(jī)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)建模和控制策略。矢量變換控制方法己經(jīng)從最初的感應(yīng)電機(jī)推廣到了同步電機(jī)的控制，并出現(xiàn)了基于矢量變換的各種控制技術(shù)。目前己經(jīng)有許多采用 MOSFET 和 IGBT 器件做成的變頻器產(chǎn)品，開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲驅(qū)動(dòng)。 典型的功率控制器有直流斬波器、交直交電流型或電壓型變換器、交交循環(huán)變換器和矩陣變換器等。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和稀土永磁材料的飛速發(fā)展，高性能電機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)不斷地更新，成本不斷降低，新型電機(jī)不斷出現(xiàn)，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正不斷地取代直流電機(jī)控制。 就電機(jī)控制的目標(biāo)來(lái)講，主要有速度控制和位置控制兩大類。基于此，我們有必要構(gòu)建一個(gè)電機(jī)控制級(jí)平臺(tái)，使其 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾種或幾種電機(jī)控制，也可以以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，為電機(jī)的控制系統(tǒng)及其控制策略的深入研究奠定基礎(chǔ)。 Abstract