【正文】 ................................................................................... 錯誤 !未找到引用源。硬件包括計算機(jī)， ICETEK 仿真器、 ICETEKVC5509A 系統(tǒng)板相關(guān)連線及電源，在設(shè)計上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件電路小型化及模塊化。尤其是將 DSP 技術(shù)運(yùn)用到電機(jī)控制之后硬件的統(tǒng)一性與軟件的靈活性可以有機(jī)結(jié)合，電機(jī)的數(shù)字化及集成化控制成了電機(jī)控制的發(fā)展方向。近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、材料技術(shù)的飛速發(fā)展，電機(jī)控制的研究也越來越重要，高性能電機(jī)控制系統(tǒng)也在不斷地更新。闡述了步進(jìn)電機(jī)的基本構(gòu)成、工作原理、控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其基本控制策略，給出了基于 DSP 的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案 , 然后在前期的工作及所取得的階段性成果的基礎(chǔ)上，以 TI 公司的 DSP TMS320C55 為核心設(shè)計了硬件系統(tǒng)，并編寫了系統(tǒng)軟件。PulseWidth Modulation xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 …… .................................................................................. 錯誤 !未找到引用源。如在三項(xiàng)無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)及三相感應(yīng)電機(jī)甚至式直流電機(jī)的控制中，它們的基本功率逆變電路、母線電壓及電流的檢測、模數(shù)轉(zhuǎn)換等都可以利用相同的硬件電路，而在針對不同的電機(jī)進(jìn)行控制時則可以在軟件中通過調(diào)用不同的模塊程序來實(shí)現(xiàn)；同時，即使在同一個工程項(xiàng)目中使用的電機(jī)可能有幾個火幾種，如果單獨(dú)來設(shè)計控制器，則不僅會使工作量加大，控制系統(tǒng)也變得更復(fù)雜，可靠性也會降低。近用于電機(jī)控制系統(tǒng)的各種電源 變換器就有 AD、 DC 可控整流器、 DC、 AC 逆變橋， DC、 DC 斬波器、 AC、 AC 循環(huán)變換器和矩陣變化器等 [1]。電機(jī)的運(yùn)動控制系統(tǒng)是通過電機(jī)伺服驅(qū) 動裝置將給 定的位置指令變成期望的機(jī)構(gòu)運(yùn)動，一般系統(tǒng)功率不大，但有定位精度要求，并具有頻繁啟動和制動的特點(diǎn)，在雷達(dá)、導(dǎo)航、數(shù)控 機(jī)床、機(jī)器人、磁盤驅(qū)動器和自動洗衣機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)都是依靠電力電子器件構(gòu)成變流裝置的，即采用以強(qiáng)電為動力、以弱點(diǎn)控制強(qiáng)電，強(qiáng)弱電結(jié)合這一關(guān)鍵技術(shù)。對于絕大多數(shù)中小型電機(jī)來說，主要是采用交直交電壓型變換器。并利用現(xiàn)代線性系統(tǒng)控制中狀態(tài)重構(gòu)和估計 的概念，巧妙地實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩在等效兩相正交繞組狀態(tài)下的重構(gòu)和解藕控制，從而促進(jìn)了感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)用化。這樣就可以將系統(tǒng)控制、故障監(jiān)視、診斷和保護(hù)、人機(jī)交互界面等功能集成一體，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜算法的控制系統(tǒng)。通常無傳感器系統(tǒng)的算法復(fù)雜，計算量大，需要采用具有高速計算能力的 DSP 芯片，因此， 研究 DSP 芯片硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制復(fù)雜的算法成為無傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵 [2]。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同而有不同的控制策略。前者稱為直流無刷永磁電機(jī)，而后者稱為永磁同步電機(jī)。目前研究的重點(diǎn)主要是削弱齒諧波、轉(zhuǎn)矩脈動和消除位置傳感器技術(shù)?？梢愿淖兝@組的勵磁順序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。未來電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展將會主 要以數(shù)字控制為主導(dǎo)。機(jī)械運(yùn)動控制根據(jù)外部給定的位置信號與轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的位置信號相比較，獲得位置誤差信號。首先要解決的問題是如何利用檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、電流和電壓信號觀測電機(jī)內(nèi)部磁場的變化。 2． DSP 控制的硬件基礎(chǔ)以 DSP 為基 礎(chǔ)構(gòu)建電機(jī)控制系統(tǒng)，其硬件資源包括 :信號檢測與轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)接口、 PWM 控制器等。非電量信號包括位置、速度、力或轉(zhuǎn)矩、溫度等。系統(tǒng)橋路中的功率管是采用脈寬控制方式。比如在以前的許多工程項(xiàng)目中，我們需要控制的電機(jī)就不是一種，有直流無刷電機(jī)、直流力矩電機(jī)等。傳統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)通常以單片機(jī)或微機(jī)為核心，而以 DSP 為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)則具有更高的精度和速度、具有邏輯控制功能和各種中斷處理等更強(qiáng)大的處理及計算能力。 DSP 采用哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)和程序相互獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)提高了計算能力。 硬件的統(tǒng)一性和軟件的靈活性有機(jī)結(jié)合，使 DSP 電機(jī)控制電路可以統(tǒng)一，如 DSP 控制三相逆變器驅(qū) 動相應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)或用改進(jìn)后的逆變器驅(qū)動直流電機(jī)等，其硬件電路結(jié)構(gòu)基本相同，針對不同的電機(jī)只需設(shè)計和編寫不同的控制規(guī)律即可，從而使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性 [2]。 DSP 芯片的出現(xiàn)為步進(jìn)電機(jī)的控制提供了軟硬件基礎(chǔ)，本文將給出步進(jìn)電機(jī)的工作原理，并通過脈沖調(diào)制對步進(jìn)電電路ICETEKVC5509電路板。軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計。近年來，控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力推動 了 步進(jìn) 電動機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制裝置的應(yīng)用水平。近三十年來，數(shù)字技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，推進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展，為步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景 [5]。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制 。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 。 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。 、整步工作時為 176。/176。/176。 ? 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn) ： 1． 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積 。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一 個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。 5．步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格地成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨型。 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動 負(fù)載。 步進(jìn)電機(jī)的分類 1． 步進(jìn)電機(jī)可分為三大類： 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ Varaiable Reluctance ,簡稱 VR） 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以歩距角一般較大。定子是由硅鋼片疊成的。 轉(zhuǎn) 子 是由軟磁材料制成的。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行推動到最大磁導(dǎo)率（或者最小磁阻）的位置如圖 21(b)，即定子和轉(zhuǎn)子小齒對齊的位置，并處于平衡狀態(tài)。錯齒的存在是步進(jìn)電動機(jī)能旋轉(zhuǎn)的前提條件。 定 子 小 齒轉(zhuǎn) 子 小 齒（ a ） 錯 齒 （ b ） 對 齒 圖 21 定子齒與轉(zhuǎn)子齒之間的 磁道 現(xiàn)象 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)原理 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（或磁阻最?。┑奈恢棉D(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。 將 A 相斷電，同時將 KB合上，使處于錯 1/3 個齒距角的 B 相通電，并建立磁場。 當(dāng) C 相斷電，再給 A 相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動了 1/3 個齒距角，與 A 相形成對齒，與 B、 C 兩相形成錯齒。轉(zhuǎn)子每拍走一步，轉(zhuǎn)一個齒距角需要三步[6]。如果對多相步進(jìn)電機(jī)來說，每次只對一相通電，要使磁場旋轉(zhuǎn)一周就需要多拍。電流的上升時間取決于回路中的時間常數(shù)。 雙三拍的工作方式是：每次對兩相同時通電，即所謂“雙”；磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相三次，即所謂“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角，這與單三拍是一樣的。 在用雙三拍方式工作時，各相通電的波形如圖 23 所示。這是單三拍與雙三拍交替使用的一種方法，也稱為單雙六拍或 1— 2 相勵磁法 [8]。 由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角需要六拍，根據(jù)式（ 2— 1） ,六拍工作時的步距角要比單三拍和雙三拍時的步距角消一半，所以步進(jìn)精度要高一倍。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。而 0、 3 號齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度 [10]。 四相步進(jìn)電機(jī)是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式斯福電機(jī)。其中轉(zhuǎn)子的齒或槽與定子的齒或槽大小相等。 四相八拍 步進(jìn)電機(jī)的工作原理如圖 25， 當(dāng) A 相通電時磁力線總是沿著磁阻最小的地方構(gòu)一個閉合的回路，此時定子 A 相上的齒與轉(zhuǎn)子上齒對齊，在其后的一個脈沖時，這時由于 AB 兩相同時通電，這時磁力線按照磁阻最小的地方構(gòu)成回路， 這時轉(zhuǎn)子 只轉(zhuǎn)過八分之一個齒距角，當(dāng)其后的 B 相再給脈沖時這時B 相定子上的齒正好與轉(zhuǎn)子上的齒相對，這時轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過再轉(zhuǎn)過八分之一個齒距角，依次類推。其基本控制作用如下：步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 電路時是根據(jù)控制信號工作地。例如，三相步進(jìn)電動機(jī)的單三拍工作方式，其各自通電和順序?yàn)?A— B— C— D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格地按照這一順序分別控制 ABC 相得通電和斷電。兩個脈沖的間隔時間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。步進(jìn)電動機(jī)的位置控制值得是控制步進(jìn)電動機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個位置精確地運(yùn)行到里一個位置。絕對位置一般要折算成步進(jìn)電動 機(jī)的步數(shù)。 絕對位置參數(shù)可以作為人機(jī)對話的顯示參數(shù)，或作為其他控制目的的重要參數(shù)，因此也必須要給出。另外在位置控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移也不總是在恒定速度下進(jìn)行的。如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率fq，步進(jìn)電動機(jī)要發(fā)生失步現(xiàn)象，會造成不能正常啟動。 為了滿足加減速要求，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行通常按照加減速曲線進(jìn)行。其加減速曲線都是直線，因此容易編程實(shí)現(xiàn)。 采用指數(shù)加減速曲線或 S 形（分段指數(shù)曲線）加減速曲線是最好的選擇，如圖 26(b)所示。 3. 中、長距離 不僅有加減速過程，還有恒速過程。 本章小結(jié) 本章首先介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展和特點(diǎn)，接下來介紹了步進(jìn)電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而介紹了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)原理， 和四種步進(jìn)方式，以及步進(jìn)電機(jī)的 DSP 控制方式方法。 3. 通用 DSP 仿真器一臺及相關(guān)連線。 5. TI 的 DSP 開發(fā)集成環(huán)境 Code Composer Studio。 ICETEKVC5509A評估板技術(shù)指標(biāo)： 主處理芯片： TMS320VC5509A；低功耗設(shè)計，比上一代 C54XX 期間功耗低30%左右；處理速度更快，雙核結(jié)構(gòu)，處理速度 400MIPS；軟件程序兼容 C54XX DSP；片內(nèi)存儲空間 128x16Bit；大容量 SDRAM 設(shè) 計： 4Mx16Bit； 2 路 10bit 片上 A/D 接口； 4 路的 DAC7616/7 轉(zhuǎn)換， 100K/S， 12Bit； UART 串行接口，符合RS232 標(biāo)準(zhǔn)； 8M bit 擴(kuò)展 FLASH，存儲大量固化程序和數(shù)據(jù)；設(shè)計有用戶可以自定義的開關(guān)和測試指示燈； 3U 標(biāo)準(zhǔn)的 DSP 擴(kuò)展總線，包括數(shù)據(jù)、地址、I\O、控制； 4 組標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展連接器，為用戶進(jìn)行二次開發(fā)提供條件；具有 兼容的邏輯掃描電路，該電路僅用于測試和仿真； +5V 電源輸入，內(nèi)部 +、 + 電源管理；高保真語音接口設(shè)計，雙路語音采集，每爐48K/S； 接口電路設(shè)計； 4 層板設(shè)計工藝，穩(wěn)定可靠；具有自啟動功能，穩(wěn)定可靠；具有自啟動功能設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)脫機(jī)工作。宏單元數(shù)達(dá)到 288 個，系統(tǒng)時鐘可達(dá)到 200MHz。 圖 32 DSP 芯片管腳 脈寬調(diào)制 PWM 一個 PWM 信號是一串寬度變化的脈沖序列。 1． 事件管理器 PWM 輸出的產(chǎn)生 在事件管理器模塊中，每個比較單元和通用定時器 1（ EVA 模塊）或通用定時器 3（ EVB 模塊），死去單元及輸出邏輯可在兩個特定的期間引腳上產(chǎn)生一對具有可變成死去以及輸出極性的 PWM 輸出。 PWM 帶你路還可以用于控制其他類型的電動機(jī)，如直流有刷電動機(jī)和用于控制單軸和多軸的步進(jìn)電動機(jī)。 設(shè)置和裝載 T1PR 或 T3PR 寄存器，即規(guī)定 PWM 波形的周期。 更新 CMPRx 寄存器的值是輸出 PWM 波形的占空比發(fā)生變化。為了產(chǎn)生非對稱的 PWM 信號，需要將通用定時器 1 設(shè)置為連續(xù)增計數(shù)器模式。一個死區(qū)值將用與所有的 PWM 輸出通道。因?yàn)楸容^寄存器是帶影子寄存器的，所以在一個周期的任何時候都可以將新值寫入。已經(jīng)證明當(dāng)使用正弦波調(diào)整時，在交流電動機(jī)（如感應(yīng)電動機(jī)）和只留無刷電動機(jī)的相電流中，對稱的 PWM 信號比非對稱的 PWM 信號引起的諧波失真更小。新的比較值在匹配后更新了比較寄存器中值，叢赫然可以提前或推遲 PWM 脈沖的第二個邊沿的到來。 2. 調(diào)頻調(diào)寬法： 這種方法是保持 t2 不變，只改變 t1，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。 PWM 輸入對應(yīng) ICETEKVC5509 外擴(kuò)展插座第 26 的 S22 信號， DSP 將在次引腳上給出 PWM 信號用來控制步進(jìn)的轉(zhuǎn)速； ICETEKVC5509－Ａ板上 P4 擴(kuò)展插座第29 的 S14 信號， DSP 將在此引腳上給出高電平或低電平來控制電機(jī)的方向。 1．步進(jìn)電動機(jī)由 DSP 通用 I/O 管腳輸出直接控制。 3．控制的方法是使用 DSP 通用定時器設(shè)置 S22 以一定得頻率改變高低狀態(tài)，輸出方波，設(shè)置 S14 為高電平順時針轉(zhuǎn)動，低電平為逆時針轉(zhuǎn)動。 3．連接 DSP 評估板信號線：當(dāng)需要連接信號源輸出到 A/D 輸入插座時，使用信號連接線分別連接相應(yīng)插座。在出現(xiàn)的窗口中按標(biāo)號順序進(jìn)行如下設(shè)置：單擊 Startup GELFile(s), 單擊“ … ”按鈕選擇 C ： \ICETEKVC5509EDULAB\ 文件，單擊完成設(shè)置；在出現(xiàn)的窗口中按如