【正文】 步進電機的運動控制器的設(shè)計，必須把握的一個原則是：依據(jù)電機的特性和運動的需要，正確地發(fā)出各種控制信號，即為了使步進電機精確定位，運動控制器在任何時候必須保證發(fā)出正確的脈沖數(shù)，特別是系統(tǒng)啟動、停止時。如果要求步進電機運行的速度小于電機的極限起動頻率，則步進電機可以按要求的速度直接起動，運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。但在一般情況下，步進電機的極限起動頻率是很低的，而要求的速度往往較高。如果步進電機以要求的速度直接起動，因為該速度已超過極限起動頻率而不能正常起動，可能發(fā)生丟步或根本不運行的情況。電機運行起來之后，如果到達終點時立即停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因為電機的慣性原因，會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。這些情況的產(chǎn)生是由步進電機的頻率特性曲線決定的。如果轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進電機的旋轉(zhuǎn)磁場，即低于換相速度，則輸入電機的電能不足，在步進電機中產(chǎn)生的同步力距無法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步或不運轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，一般采取一個“加速一恒速—減速—停止”的運行過程 [23]。本系統(tǒng)方位軸和俯仰軸步進電機的運動控制由基于 TMS320LF2407 的 ELDSPEXP III 實驗系統(tǒng)完成，利用 TMS320LF2407 的事件管理模塊(EVA) 產(chǎn)生 PWM 脈沖信號和方向信號來控制步進電機，并通過改變 PWM 脈沖信號頻率實現(xiàn)步進電機的變速控制過程，即升速時，使 PWM 脈沖串逐漸加密；減速時，使脈沖串逐漸稀疏，加減速控制多數(shù)采用軟件來實現(xiàn)，這樣給系統(tǒng)帶來很大的靈活性。 步進電機驅(qū)動器步進電機驅(qū)動器包括：環(huán)行分配器（脈沖分配器）和功率放大器。環(huán)行分配器的作用是使電機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化，從而控制電機按一定方式運行。環(huán)行分配器又分為：硬件環(huán)分和軟件環(huán)分。硬件環(huán)分通常直接包含在步進電機驅(qū)動控制電25源內(nèi)，運動控制器只要向驅(qū)動器控制電源定時發(fā)出位移脈沖信號和方向信號，就可以實現(xiàn)步進電機的運動控制；軟件環(huán)分增加了軟件編寫的復(fù)雜程度，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。環(huán)行分配器的輸出電流很?。ê涟布墸?，需要功率放大后，才能驅(qū)動步進電機。驅(qū)動器針對每一個步進脈沖，按一定的規(guī)律向電機各相繞組通電勵磁，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。步進電機、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的 3 大部分。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。當(dāng)電機和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法 【24】 。步進電機驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。本文只詳細(xì)論述細(xì)分驅(qū)動。細(xì)分驅(qū)動：它是將電機繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。如圖 ，該圖為兩相（A 相和 B 相）混合式步進電機八細(xì)分驅(qū)動時， A 相繞組階梯電流波形圖。IAia/A圖 步進電機 A 相繞組階梯電流波形圖由圖可以看出,電流波形是從0 經(jīng)過若干個均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升到額定值I A，下降時又經(jīng)同樣的階梯從額定值I A下降至0 。它與一般由0 值突跳至額定值,從額定值跳至0 的通電方式相比,步距角縮小到原來的幾分之一(由階梯電流的階梯數(shù)即細(xì)分?jǐn)?shù)定)，電機運行也非常平滑。雖然細(xì)分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機內(nèi)部參數(shù)的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾百分之一，使步距角不再受電機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制；而且由于繞組的電流變化幅度也大大減小，極大的改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩 [25]。近幾年來，由于微處理機技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應(yīng)用。 本系統(tǒng)電控轉(zhuǎn)臺俯仰軸和方位軸的步進電機均是 57 型兩相混合式步進電機，步進角為 176。，考慮到光電成像跟蹤過程中對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度要求較高因此選用具有細(xì)分功能的混合式步進電機專用驅(qū)動器 MA335B。 步進電機驅(qū)動器 MA335BMA335B 是采用中國專利技術(shù)生產(chǎn)的高性能步進驅(qū)動器，適合驅(qū)動任何 或t/sec26 相電流以下的兩相或四相混合式步進電機。此驅(qū)動器還具有其它許多理想特點，例如：單電源供電、光隔離輸入、細(xì)分精度可選等。步距角細(xì)分功能可使電機運轉(zhuǎn)平滑，振動減少，噪聲降低，精度提高。細(xì)分精度可通過撥碼開關(guān)輕易設(shè)定，最高可達128 細(xì)分(25600 步/圈)。另一有用的功能(可用撥碼開關(guān)啟用或取消)是靜止自動減流：當(dāng)電機處于停止?fàn)顟B(tài)時，輸出電流可自動降至較低值，從而減少電機和驅(qū)動器的發(fā)熱。驅(qū)動器側(cè)面裝有一排八位撥碼開關(guān)組，可通過撥碼開關(guān)組設(shè)定動態(tài)工作電流(共 8 等級)、靜態(tài)減流和細(xì)分精度。 1）MA335B 特性MA335B 可以接受交流輸入(1029VAC) ，也可以接受 1242VDC 直流輸入。雙極恒流斬波方式，20KHz 斬波頻率，供電電壓最高達 40VDC 或 29VAC，最大驅(qū)動電流 ，細(xì)分精度 2~128 倍細(xì)分可選，靜止時電流可自動減半，光隔離信號輸入，采用原裝進口接線端子，撥插方便實用。2）MA335B 接線圖圖 M420/MA335B 接線圖驅(qū)動器 MA335B 需要外部提供一組直流電源，電壓范圍為 DC(24 一 40)V，電源電流值根據(jù)電機相電流確定，一般不小于電機相電流。此電源可以由一變壓器變壓后加整流濾波(無需穩(wěn)壓) 組成，或者由一開關(guān)電源提供，本系統(tǒng)采用開關(guān)電源為驅(qū)動器供電，該開關(guān)電源能夠設(shè)定電流上限值，在實驗中電流值的上限設(shè)定值可以隨負(fù)載的27變化做相應(yīng)調(diào)整，并能夠?qū)﹄姍C起到保護作用。驅(qū)動器光隔 OPTO+5V 電源由 DSP 實驗系統(tǒng)的電機接口 26 管腳+5V 提供，俯仰軸和方位軸的步進電機 PWM 脈沖信號分別由電機接口的第 7（XPWM1）腳、11(XPWM4)腳引出接至兩電機驅(qū)動器的脈沖信號 PUL 端，俯仰軸和方位軸步進電機的方向信號分別由電機接口的第 9 腳和 13 腳提供，本系統(tǒng)步進電機不使用使能信號，故不接該線?？刂齐娐愤B線圖如圖 所示：GND5VDIRPULPULDIR+24DCV地+24DCVELDSPEXP III 實驗系統(tǒng)電機 控制接口7911132426驅(qū)動器MA335控制端電機電源俯仰電機方位電機地驅(qū)動器MA335控制端電機電源圖 控制電路連線圖兩相混合式步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，因此電機驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)應(yīng)在系統(tǒng)允許情況下設(shè)定較大值 [26]。 光電隔離模塊由于本系統(tǒng)使用的光電編碼器電源電壓為 12V，輸出信號是電壓信號，而 DSP 要求接收 TTL 電平，所以在采集光電編碼器輸出信號時，要使用光電耦合器件進行電路隔離，同時實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，接收信號經(jīng) DSP 處理后，通過串行方式上傳給 PC 機。采用光電耦合器對光電編碼器測角信號進行隔離既能起到抗干擾的作用，又能對系統(tǒng)起到安全保護作用 [27]。光電隔離模塊采用光電耦合器 TLP5214。TLP5214 是發(fā)光二極管與光電晶體管封裝的光電耦合器，結(jié)構(gòu)為雙列直插 4 引腳塑封，內(nèi)部帶有 4個相同的光電耦合電路，主要用于開關(guān)電源電路中，其原理圖如圖 所示。28圖 TLP5214 內(nèi)部耦合電路29第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn) 完整、可靠的、符合系統(tǒng)性能要求的硬件電路設(shè)計是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的前提條件，而完善的軟件設(shè)計則是發(fā)揮硬件資源潛能，最終達到系統(tǒng)指標(biāo)不可或缺的必要條件。在前一章中主要介紹了系統(tǒng)的硬件平臺，本章將主要介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計和實現(xiàn)工作。 主程序設(shè)計主程序是控制程序的核心，主要完成系統(tǒng)的初始化（SCI 串行通信接口、I/O 口、定時器等的初始化） ，各標(biāo)志位的置位與復(fù)位，計數(shù)器周期寄存器初值的計算，設(shè)置中斷標(biāo)志，接收光電編碼器信號，系統(tǒng)自檢、中斷配置等功能 [28]。主程序完成初始化后，進入循環(huán)等待中斷，中斷程序完成對上位機下傳數(shù)據(jù)的接收，并依據(jù)控制算法將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 PWM 的脈沖的生成和步數(shù)計數(shù)。主程序流圖如圖 所示：NYYY系統(tǒng)初始化接收數(shù)據(jù)？上傳數(shù)據(jù)？開 始N上傳數(shù)據(jù)啟動、停止控制程序正確獲取參數(shù)？N系統(tǒng)鎖定串口發(fā)送故障信息關(guān)中斷等待系統(tǒng)復(fù)位串口通信圖 主程序流程圖 系統(tǒng)初始化設(shè)置程序開始運行時要進行初始化，只有正確的初始化各寄存器，系統(tǒng)才能正確中斷和讀寫數(shù)據(jù) [29]。系統(tǒng)初始化函數(shù) void sys_ini()完成了以下工作：禁止所有可屏蔽中斷，并將中斷標(biāo)志位清零；設(shè)置 CLKOUT=4*CLKIN=40M，并且使能 EVA、SCI 外設(shè)。初始化設(shè)置如下：30void sys_ini(){ asm( setc INTM)。 /*關(guān)總中斷*/ asm( clrc SXM)。 /*抑制符號位擴展*/ asm( clrc OVM)。 /*累加器中結(jié)果正常溢出*/ asm( clrc CNF)。 /*B0 被配置為數(shù)據(jù)存儲空間*/ * SCSR1=0X0005。 /*CLKIN=10M,4 倍頻,使能 EVA 模塊*/ * WDCR=0X00E8。 /*關(guān)看門狗*/ WSGR=0X0600。 /*io，ram ，program 都設(shè)為 0 等待讀寫*/ * IMR=0X0002。 /*禁止所有中斷*/ * IFR=0XFFFF。 /*清除全部中斷標(biāo)志*/ } SCI 串口通信模塊設(shè)置按照設(shè)計要求，配置由基于 DSP 的實驗系統(tǒng)作為下位機，由 PC 機作為上位機。為了實時、方便地交換數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)采用異步串行通訊方式進行互聯(lián)。TMS320LF2407具有內(nèi)置的異步串行口設(shè)備，可以很方便的開發(fā)出應(yīng)用系統(tǒng)并且通過串行口與上位機進行通信 [30]。通信任務(wù)主要完成的工作是接收上位機的命令并執(zhí)行。為了可以安全、有效的進行數(shù)據(jù)的傳送和接收，制定一些收發(fā)的規(guī)定 [31]：（1）只有上位機能夠主動發(fā)命令。也就是說在下位機接收到上位機的命令后，才進行發(fā)數(shù)據(jù)或進行相關(guān)的動作，它不能主動向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）LF2407在接收到上位機的命令后，如果發(fā)現(xiàn)命令無效（接收時，發(fā)生硬件錯誤或這個命令本身無意義） ，則LF2407向上位機發(fā)送命令錯誤信號，以要求上位機重發(fā)命令。（3）LF2407在接收到上位機的命令后，接受到有效命令，便進行發(fā)數(shù)據(jù)或進行相關(guān)的動作，任務(wù)完成后，再向上位機發(fā)送一個任務(wù)已完成的信號。下面是數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶退砗x：（1）SCI發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的字符格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗位。（2）波特率為4800bps。（3）上位機的命令格式及含義：上位機的命令由起始位、LF2407的地址和發(fā)送到LF2407的命令組成，如下所示：起始標(biāo)志（2字符） LF2407地址（1個字符） 命令（2字符）31發(fā)送到LF2407的部分命令的含義如表41所示：表41上位機命令含義命令 命令所表含義0X0001 啟動轉(zhuǎn)臺0X0002 順時針旋轉(zhuǎn)0X0003 逆時針旋轉(zhuǎn)0X0004 轉(zhuǎn)臺勻速轉(zhuǎn)動0X0005 轉(zhuǎn)臺增速轉(zhuǎn)動0X0006 轉(zhuǎn)臺減速轉(zhuǎn)動0X0007 轉(zhuǎn)臺停止0X0008 無意義0X0009 無意義0X000A 采集數(shù)據(jù)，重寫所有緩沖0X000B 發(fā)送所有緩沖數(shù)據(jù)0X000C 連續(xù)發(fā)送和采集數(shù)據(jù)0X000D 刪除連續(xù)發(fā)送和采集數(shù)據(jù)任務(wù)0X000E 無意義0X000F 無意義（4）LF2407發(fā)送數(shù)據(jù)格式。LF2407在發(fā)送接到命令后，發(fā)送轉(zhuǎn)角信息，若不是連續(xù)發(fā)送，則在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送一個任務(wù)已完成的信號。 SCI串口通信模塊初始化SCI的各種功能均可用軟件設(shè)置，包括操作模式、通信協(xié)議、波特率、字符長度、奇偶校驗和停止位的位數(shù)、中斷優(yōu)先級和中斷使能控制等 [32]。SCI無論數(shù)據(jù)接收還是數(shù)據(jù)發(fā)送，都采用NRZ格式對數(shù)據(jù)進行編碼，NRZ數(shù)據(jù)格式包括：一個起始位；1~8個數(shù)據(jù)位；1個奇偶校驗位（可選） ；1個或2個停止位；一個用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和地址幀的額外位( 僅用于地址位模式)。每個數(shù)據(jù)位占用8個SCICLK 周期。以下程序段是串行口初始化子程序：void SCI_ini(){ * SCICCR=0x000F。 /*1位停止位，禁用奇偶校驗，禁用回饋測試，地址位協(xié)議模式，8位數(shù)據(jù)位*/ * SCICTL1=0x0023。 /*禁止接收錯誤中斷，禁用傳輸喚醒模式，禁用休眠模式，使能數(shù)據(jù)發(fā)送和接收*/ * SCIHBAUD=0x0004。 /*40M CLKOUT,波特率為4800*/ 32 * SCILBAUD=0x0010。 * SCICTL2=0x0003。 /*使能接收中斷，使能發(fā)送中斷*/ * SCIPRI=0x0010。 /*高中斷優(yōu)先級，仿真掛起時完成當(dāng)前操作 */ asm( clrc INTM)。 /*開總中斷*/ * MCRA|=0X00C3。 /*使能PWM1,PWM2,SCI模塊的SCITXD,SCIRXD引腳*/ }通訊時，要求上位機和下位機的通訊協(xié)議相同，即通訊波特率、起止位數(shù)