【文章內容簡介】 差信號。信 xx 大學學士學位論文 4 號檢測、傳感主要指轉子位置檢測，電流與 電壓檢測等。例如用霍爾傳感器或光電編碼器檢測轉子位置，獲取轉子實際位置角信號。電機內部的機電禍合關系是通過磁場作為媒體。首先要解決的問題是如何利用檢測到的電機轉子位置、電流和電壓信號觀測電機內部磁場的變化。其次是如何反映電機產(chǎn)生的電磁轉矩大小，以便有效地控制電機的電磁轉矩。電機控制離不開電源，包括強電部分的供電電源和弱電部分的驅動電源。驅動電機主要靠供給逆變器的動力電，逆變器由滯環(huán)比較器輸出的控制信號按一定規(guī)律觸發(fā)導通，將動力電加到電機繞組上控制電機拖動負載運行 [4]。 2． DSP 控制的硬件基礎以 DSP 為基 礎構建電機控制系統(tǒng)，其硬件資源包括 :信號檢測與轉換、系統(tǒng)接口、 PWM 控制器等。控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，尤其是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，狀態(tài)信息的檢測更加重要。檢測信號分為電量和非電量兩類。電量信號有電流、電壓和電功率等。非電量信號包括位置、速度、力或轉矩、溫度等。它們的檢測過程通常根據(jù)物理學原理利用傳感器將非電量信號轉換成電信號再來檢測。系統(tǒng)接口部分配置包括時鐘信號、上電復位電路、存儲器擴展接口、控制信號輸入輸出接口等。電機的控制離不開驅動系統(tǒng)，例如直流電機控制系統(tǒng)的可逆 PWM 系統(tǒng)，無刷直流電機的三相全控橋 系統(tǒng)等。系統(tǒng)橋路中的功率管是采用脈寬控制方式。由 DSP 輸出脈寬波來決定功率管的導通時間、方式與順序，從而實現(xiàn)對電機的控制。 設計電機 DSP 控制系統(tǒng)的必要性及可行性 電機控制系統(tǒng)中，通常存在模擬信號和數(shù)字信號，既有連續(xù)信號，也有離散信號，多種信號的處理比較復雜。同時在一些控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機構或是驅動電機并不是只有一種電機，如果單獨設計控制器，就需要更多的元器件，從而整個系統(tǒng)變的復雜，可靠性降低。比如在以前的許多工程項目中，我們需要控制的電機就不是一種，有直流無刷電機、直流力矩電機等。單獨設計的控制器也可以滿足 系統(tǒng)的要求，但是這樣會使影響系統(tǒng)性能的來源增加，對系統(tǒng)的安裝、測試等就造成了諸多不便。同樣在一些更加復雜的系統(tǒng)中，如果使用的電機種類更多，則對電機控制的要求也越高。為此，有必要設計電機控制系統(tǒng)平臺，可以同時實現(xiàn)對多個或多種電機進行控制，從而使控制系統(tǒng)更簡單、可靠。傳統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)通常以單片機或微機為核心，而以 DSP 為核心的電機控制系統(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大的處理及計算能力。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展， DSP 芯片的功能將會越來越強。在 DSP 應用到電機控制中 后，全數(shù)字控制系統(tǒng)成了當前電機控制的發(fā)展方向。同時以 DSP 為核心的控制系統(tǒng)的以下特點也使設計電機的 DSP 控制系統(tǒng)更加可行了。 DSP 采用哈佛結構或改進的哈佛結構，使數(shù)據(jù)和程序相互獨立的總線結構提高了計算能力。因此可以實現(xiàn)比較復雜的控制規(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用。 可簡化電機控制器的硬件設計，重量低，體積小，能耗低。 xx 大學學士學位論文 5 DSP 芯片內部設計保證元器件的穩(wěn)定性和可靠性，從而會使整個系統(tǒng)的可靠性提高。 硬件的統(tǒng)一性和軟件的靈活性有機結合，使 DSP 電機控制電路可以統(tǒng)一，如 DSP 控制三相逆變器驅 動相應的感應電機、無刷直流電機、永磁同步電機或用改進后的逆變器驅動直流電機等，其硬件電路結構基本相同，針對不同的電機只需設計和編寫不同的控制規(guī)律即可，從而使系統(tǒng)具有很強的靈活性 [2]。 論文的主要內容 本論文 的主要研究內容如下： 1．實現(xiàn)電機的 DSP 調速控制。構建 PWM 驅動系統(tǒng)，在系統(tǒng)中一部分軟件代替硬件，從而使步進電機控制系統(tǒng)更加可靠、簡單。 2．實現(xiàn)電機的位置及速度空制。 DSP 芯片的出現(xiàn)為步進電機的控制提供了軟硬件基礎，本文將給出步進電機的工作原理，并通過脈沖調制對步進電電路ICETEKVC5509電路板。 3．電機控制系統(tǒng)的硬件電路的實現(xiàn)。包括以 TMS320C55 系列為核心的主控電路 ICETEKVC5509電路板。 4．控制系統(tǒng)的軟件設計。軟件設計采用模塊化程序設計。主要包括系統(tǒng)初始化模塊；信號采集模塊；主控制程序模塊； PWM 輸出模塊等。 xx 大學學士學位論文 6 第 2章 步進電機的 DSP 控制 本章主要介紹了步進電機的發(fā)展、分類、原理、工作方式以及 DSP 的控制方式方法等內容。 步進電機結構及原理 步進電機的發(fā)展 步進電機在工業(yè)自動化裝備、辦公自動化設備中有著廣泛的應用。近年來，控制技術、計算機技術及微電子技術的迅速發(fā)展，有力推動 了 步進 電動機控制技術的進步，提高了步進電機運動控制裝置的應用水平。步進電動機應用系統(tǒng)已經(jīng)由較 早的開環(huán)系統(tǒng)和簡單的閉環(huán)系統(tǒng)，逐漸發(fā)展成為高性能的步進伺服系統(tǒng)、 步進電機伺服控制。 步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機。它將電脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度。近三十年來，數(shù)字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，推進了步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的前景 [5]。 步進電機的特點 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按 設定的方向轉動一個固定的角度 (稱為 “ 步距角 ”) ，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制 。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機 (VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機 (HB)和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度或 15度 。 反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩 。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機 。 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。/176。 （ 表示半步工作時為 176。 、整步工作時為 176。 ），這個步距角可以稱之為 ‘ 電機固 xx 大學學士學位論文 7 有步距角 ’ ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關 [6]。 ? 步進電機的相數(shù) ： 步進電機的相數(shù) 是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。/176。 、三相的為 176。/176。 、五相的為 176。/176。 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則 ‘ 相數(shù) ’ 將變得沒有 意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 ? 步進電機的一些特點 ： 1． 一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積 。 2． 步進電機外表允許的最高溫度 。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于 失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常 。 3． 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降 。 當步進電機轉動時，電機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。在它的作用下，電機隨頻率 (或速度 )的增大而相電流減小，從而導致力矩下降 。 4． 步進電機低速時可以正常運轉 ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲 。 步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 (電機轉速從低速升到高速 )。 步進電動機以其顯 著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 5．步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格地成正比，因此，當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨型。 6．由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽?。同時，它也可以與角度反饋，環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 7．步進電機的動態(tài)響應快，易于啟動、正反轉及變速。 速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動 負載。 8．步進電動機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 xx 大學學士學位論文 8 9. 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采用響應的措施。 10. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差 [7]。 步進電機的分類 1． 步進電機可分為三大類： 反應式步進電機（ Varaiable Reluctance ,簡稱 VR） 反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做的很小，但動態(tài)性能較差。 2．永磁式步進電動機（ Permanent Mag，簡稱 PM） 永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。它的傳輸轉矩大，動態(tài)性能好。轉子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以歩距角一般較大。需供給正負脈 沖信號。 3．混合步進電動機（ Hybri ，簡稱 HB） 混合式步進電動機綜合了反應式和永磁兩者的優(yōu)點，它的輸出轉矩大，動態(tài)性能好，歩距角小，但結構復雜，成本較高 [7]。 步進電機的結構 一個三相反應式步進電動機分成轉子和定子。定子是由硅鋼片疊成的。 定子上有六個 磁極 ，每兩個相對的磁極丟纏有 同 一繞組，也即形成一相，這樣三對磁極有三個繞組，形成三 相。也可以得出，四相步進電機有四對磁極、四相繞組；五相步進電動機有五對磁極、五相繞組 ?? 以此類推。每個磁極的內表面都分布著多個小齒，他們的大小相同，間距相同。 轉 子 是由軟磁材料制成的。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。 由 于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉子，他們的齒距角都可以由式 （ 2— 1）來計算，式中 Z 為轉子的齒數(shù)。 θ =2π /Z （ 2— 1） 步進電動機的動力來自于電 磁力。在電磁力的作用下，轉子被強行推動到最大磁導率（或者最小磁阻）的位置如圖 21(b)，即定子和轉子小齒對齊的位置，并處于平衡狀態(tài)。對三相步進電動機來說，當某一相的磁極處于最大磁導位置時，另外兩相必須處于非最大磁導位置如圖 21(a)。即定子和轉子小齒不對齊的位置。 把定子與轉子小齒對其的狀態(tài)成為對齒；把 定 子和轉子小齒不對齊的狀態(tài)成為錯齒。錯齒的存在是步進電動機能旋轉的前提條件。所以，在步進電動機的結構中必須保證有錯齒存在，也就是說，當某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必須處于錯齒狀態(tài)。 因為定子的齒距角與轉子 相同，所不同的是，轉子的齒是圓周分布的，而定子的齒只分布在磁極上，屬于不完全齒。當某一處處于對齒狀態(tài)時，該相磁 xx 大學學士學位論文 9 極上定子的所有小齒都與轉子上的小齒對齊 [5]。 定 子 小 齒轉 子 小 齒（ a ） 錯 齒 （ b ） 對 齒 圖 21 定子齒與轉子齒之間的 磁道 現(xiàn)象 步進電機的步進原理 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉子在電磁力的作用下，將向磁導率最大（或磁阻最?。┑奈恢棉D動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉動。步進電機就是基于這一原理轉動的。 步進電機的步進過程，當三相步進電機開關 KA 合上時， A 相繞組通電，是A 相磁場建立。 A 相 定子磁極上的齒與轉子的齒形成對齒，同時， B 相， C 相的齒與轉子形成錯齒。 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。轉子在電磁力的作用下，向與 B 相成對齒的位置轉動。其結果是：轉子轉動了 1/3 個齒距角； B 相與轉子形成對齒； C 相與轉子錯 1/3 個齒距角； A 相與轉子錯 2/3 個齒距角。 相似地，在 B 相斷電的同時，合開關 KC 給 C 相通電建立磁場，轉子又轉動了 1/3 個齒距角，與 C 相形成對齒，并且 A 相與轉子錯 1/3 個齒距角， B 相與轉子錯 2/3 個齒距角。 當