【導(dǎo)讀】業(yè)控制中的一種電機。隨著近年來功率電子器件和高速微處理器的飛速發(fā)展，電。因此，本文對兩相混合式步進電機的研。究在全數(shù)字化方向有著十分重要的理論與現(xiàn)實意義。況進行簡單闡述。針對傳統(tǒng)步進電機內(nèi)置細(xì)分策略，本文設(shè)計了一種獨特的低速。外部細(xì)分?jǐn)?shù)定為1000，內(nèi)部實際運行的是。電機運行在整步狀態(tài)下，使步進電機高速有較快的響應(yīng)，并有較大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。本系統(tǒng)采用德州儀器出品的TMS320F28035型號DSP作為核心控制器件，根。H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路、隔離電路、電流反饋電路、過壓欠壓和過流保護電路，完成整套DSP控制平臺的搭建。軟件方面，著重對開環(huán)細(xì)分控制的系統(tǒng)軟件進行設(shè)計。其中包括數(shù)字PID算。法設(shè)計、產(chǎn)生PWM程序、電流采樣程序、內(nèi)置細(xì)分程序等。矩、更快的響應(yīng)速度。

　　

【正文】 模塊的輸出。 ADC 中斷程序，這是本文中最關(guān)鍵的部分，由這一模塊采集電機繞組電流的反饋信號，將由查表得到的電流給定信號與采樣的電流反饋信號作差，將差值作為數(shù)字 PID 算法的輸入，將數(shù)字 PID 算法的輸出賦給 ePWM 的比較寄存器，得以改變 PWM 輸出的占空 比。 GPIO 程序，配置所有使用到的 GPIO。 SCI 通信程序。 初始化主程序 保護中斷服務(wù)程序 主程序 電流環(huán)中斷服務(wù)程序 28 主程序在初始化工作完成后就打開中斷，進入循環(huán)并不斷檢測 SCI 串行通信是否有數(shù)據(jù)從計算機傳入 DSP。這些數(shù)據(jù)為 PID 算法的參數(shù)，具體流程如圖 44所示。 圖 44 主程序流程圖 電流環(huán)程序是本軟件中的核心，而 ADC中斷則是電流環(huán)中最重要的一個部分。本設(shè)計將計算電流反饋值、計算接受控制脈沖、電流波形查表、數(shù)字 PID 算法、 H型單極模式倍頻可逆 PWM 控制程序均放入 ADC 中斷中，具體流程 如圖 45 所示。 圖 45 電流環(huán)程序流程圖 控制器發(fā)出方向和脈沖兩個信號，若方向有改變， XINT 檢測到外部管腳電平變化會被觸發(fā)進入 XINT 外部中斷，中斷內(nèi)部程序設(shè)置一個標(biāo)志量表示方向的變化控制器 方向信號 脈沖信號 進入 XIT中斷 進入 eCAP中斷 檢測方向信號 計數(shù)脈沖數(shù) 進入 ADC中斷 采用 A、 B 兩相電流值 均值濾波算法 計算反饋電流值 根據(jù)方向值和脈沖計數(shù)值查詢正弦表給出當(dāng)前的電流給定值 計算電流給定值與反饋電流之間的差值 將差值作為數(shù)字 PID算法的輸入量 將數(shù)字 PID 的控制量送入 ePWM 比較器 關(guān)中斷 ePWM 初始化 SCI 初始化 ADC 初始化 eCAP 初始化 開中斷 循環(huán)等待中斷 開始 DSP 內(nèi)部寄存器初始化 GPIO 初始化 29 （如 +1 代表正方向， 1 代表負(fù)方向）。若檢測到有脈沖信號輸入， eCAP 模塊會計數(shù)并計算出脈沖信號的頻率。于此同時， ADC 模塊采樣 A、 B 兩相的電流值并觸發(fā) ADC 中斷。進入 ADC 中斷后，先將采到的電流反饋信號進行均值濾波，計算出對應(yīng)的反饋電流值。然后讀 eCAP 寄存器計 數(shù)的脈沖信號，根據(jù)計數(shù)值查詢正弦表給出當(dāng)前的電流給定值。若控制器改變方向，則 XINT 的方向標(biāo)志量正負(fù)發(fā)生變化，這時使脈沖信號按照與之前相反的方向查詢電流表給定值，即能調(diào)換 A、 B 兩相電流的相位，達到改變步進電機運行方向的目的。接著計算出電流給定值與反饋電流值的誤差，將此誤差作為數(shù)字 PID 算法的輸入量，將輸出控制量送入 ePWM模塊的比較器，達到改變輸出 PWM 波占空比的目的。 ADC 轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計 TMSF3202803X 的 ADC 模塊是 12 位帶流水線的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，以轉(zhuǎn)換器模擬電路為核心 ,包括模擬多路 復(fù)用器（ MUXs），采樣保持（ S/H）電路，轉(zhuǎn)換核心，電壓基準(zhǔn)和其他的模擬輔助電路。 與之前的 ADC 類型不同，這里的 ADC 不是基于排序器轉(zhuǎn)換的?；镜牟僮饕?guī)則是以各自轉(zhuǎn)換的配置為中心的，這種配置叫做 SOC。這使得用戶很容易創(chuàng)建一系列基于單觸發(fā)源的轉(zhuǎn)換。 設(shè)置中有三個配置項：啟動轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源，要轉(zhuǎn)換的通道和采樣窗口時間。每一個 SOC 都是獨立配置的，并且可以有觸發(fā)源，通道和采樣時間的任意組合 [25]。本設(shè)計將 ePWM 作為 SOC 的觸發(fā)源，發(fā)出一個 PWM 波即過一個 PWM 周期的時間，就通過 SOC 通道對電流采樣一次，因 此 PWM 波的頻率與采樣頻率相等。 正如有 16 個獨立的 SOCx 配置設(shè)置一樣，也有 16 個 EOCx 脈沖。在順序采樣模式中， EOCx 直接與 SOCx 相關(guān)聯(lián)。在同時采樣模式中，偶數(shù)和緊跟的奇數(shù)的EOCx 對相關(guān)聯(lián)，如 所述。根據(jù) 的設(shè)置情況， EOCx脈沖將在轉(zhuǎn)換的開始或者結(jié)束時產(chǎn)生。 ADC 包含 9 個可以設(shè)立標(biāo)志并且 /或者傳遞到 PIE 的中斷。這些中斷的每一個可以配置來接收任何有效的 EOCx 信號作為中斷源。配置 EOCx 的中斷源是通過INTSELxNy 寄存器操作的。并且， ADCINT1 和 ADCINT2 信號能夠配置產(chǎn)生 SOCx觸發(fā)源，這有利于產(chǎn)生連續(xù)的采樣，下圖 36 表示 ADC 中斷結(jié)構(gòu)框圖。本設(shè)計選擇 E0C1 去觸發(fā) ADCINT1，然后中斷信號就到達了 PIE 外設(shè)級，剩余操作就與其他外設(shè)中斷一樣。 30 圖 46 ADC 中斷結(jié)構(gòu)圖 PWM 產(chǎn)生程序的設(shè)計 PWM 信號產(chǎn)生程序是整個軟件的關(guān)鍵點， TMS320F2803X 的 PWM 是通過ePWM 這個模塊產(chǎn)生的。 ePWM 模塊每個 PWM 通道有兩路 PWM 輸出產(chǎn)生：EPWMxA 和 EPWMxB，在一個器件中集成了多個 ePWM 通道，如圖 47 所示。 圖 47 ePWM 模塊和輸入輸出連接關(guān)系 ePWM 模塊的主要特點如下所述： 專門的 16 位時間基準(zhǔn)計數(shù)器，控制輸出頻率和周期。 兩個 ePWM 輸出（ EPWMxA 和 EPWMxB）有三種工作模式； 31 獨立控制上升、下降沿死去設(shè)置 產(chǎn)生錯誤事件可強制 PWM 輸出高電平、低電平或高阻。 所有時間都可能觸發(fā) CPU 中斷和 ADC 啟動（ SOC）。 其中最重要的內(nèi)部模塊為時間基準(zhǔn)（ TB）子模塊，因為這個模塊可以通過時間計數(shù)器（ TBCTR）確定 eEPWM 的頻率和周期；配置時間基準(zhǔn)速度；管理時間基準(zhǔn)同其他 ePWM 同步； 同其他 ePWM 模塊保持相位關(guān)系；設(shè)置時間基準(zhǔn)技術(shù)遞增、遞減或遞增遞減計數(shù)模式，產(chǎn)生下列事件： CTR=PRD：事件基準(zhǔn)計數(shù)器等于制定周期（ TBCTR=TBPRD）； CTR=Zero：時間計時器等于 0（ TBCTR=0 0000）。 計數(shù)比較子模塊作為事件基準(zhǔn)計數(shù)值的輸入，該值同計數(shù)比較 A（ CMPA）和計數(shù)比較 B（ CMPB）寄存器連續(xù)比較，當(dāng)時間基準(zhǔn)計數(shù)等于其中一個比較寄存器的值時，計數(shù)比較單元產(chǎn)生相應(yīng)的時間 [26]。 本設(shè)計置 TBPRD=1500,由于 DSP 主頻為 60M，因此輸出 ePWM 的頻率定了，為 20KHZ 。驅(qū)動器采用的功率管為 IRF640，雖然在 IRF640 規(guī)格書上，其最高開關(guān)頻率可達 70KHZ（根據(jù)上升、下降和開關(guān)延遲時間算出）。但實際上，因為電機最高電流可達到 6 到 7 安培，最高接近 400W 的瞬時功率， IRF640開關(guān)頻率若大于 30K，則開關(guān)管發(fā)熱非 常嚴(yán)重，對開關(guān)管損耗特別大，使用壽命也非常短。若開關(guān)頻率過低又會犧牲整個控制系統(tǒng)的精度，因此綜合多方面考慮，將 ePWM 輸出定為 20KHZ。 因為本文采用的是 H 型單極模式倍頻可逆 PWM 控制，因此必須采用遞增遞減模式。計數(shù)比較模塊是這樣設(shè)置 EPWMxA 的：當(dāng) TBCTR=COMA（ TBCTR 上升）時，將輸出電平置高；當(dāng) TBCTR=COMA（ TBCTR 下降）時，將輸出電平置低。 EPWMxB 同理，這一對 ePWM 動作過程如圖 48 所示。 圖 48 遞增遞減技術(shù) EPWMxA 和 EPWMxB 獨立輸出雙邊對稱波形 32 當(dāng) TBPRD=1500、 COMA=1000、 COMB=500 時， TBCTR 先從 0 開始遞增計數(shù)，先看 EPWMA，當(dāng) TBCTR=COMB=500 時，輸出置為高電平； TBCTR 計數(shù)到1500，當(dāng) TBCTR=COMA=1000 時，輸出置為低電平， EPWMB 同理。 最后配置了ePWM 錯誤控制模塊以響應(yīng)錯誤引腳輸入的錯誤狀態(tài)（過壓、欠壓和過流），確定產(chǎn)生錯誤時將 EPWMxA 和 EPWMxB 強制輸出低電平。 PWM 信號產(chǎn)生程序的流程圖如圖 49 所示。 圖 49 PWM 信號產(chǎn)生程序的流程圖 eCAP 捕獲程序設(shè)計 eCAP 模塊提供一個完整的捕捉通道，能夠?qū)崿F(xiàn)多個時間的捕捉任務(wù)。主要提供以下資源： （ 1） 提供專用捕捉輸入引腳； （ 2） 具有 32 位時間基準(zhǔn)計數(shù)器； （ 3） 4X32 位時間標(biāo)簽捕捉器； （ 4） 4 個狀態(tài)排序器，可以通過 eCAP 外部 引腳的上升 /下降沿實現(xiàn)外部事件同步； （ 5） 4 個時間可以獨立設(shè)置邊沿極性； （ 6） 輸入捕捉 f 目號可以進打預(yù)訂標(biāo)（ 2— 62）； （ 7） 一個短比較器（ 2 位）， 1 一 4 個時間標(biāo)簽事件后停止捕捉； （ 8） 使用 4 個深度的循環(huán)緩沖實現(xiàn)連續(xù)事件后停止捕捉； （ 9） 若任何一個事件都可以產(chǎn)生中斷。 在一個 TMS320F2803X 處理器中可以包含多個相同的 eCAP 模塊，根據(jù)相應(yīng)系統(tǒng)的需要可以獨立配置。本設(shè)計采用的是連續(xù)捕捉模式，在時間差操作模式下，TSCTR 每次在時間出發(fā)時復(fù)位到 0，然后 Mod4 計數(shù)器遞增計數(shù)到下一狀態(tài)。如ePWM 模塊初始化 ePWM 周期寄存器設(shè)置 ePWM 相位寄存器設(shè)置 ePWM 定時器計數(shù)模式設(shè)置 錯誤控制模 塊設(shè)置 33 果 TSCTR 計數(shù)到最大值 FFFFFFFF，在下一個時間產(chǎn)生之前，將會自動變?yōu)?0000000 并繼續(xù)計數(shù)，同時計數(shù)溢出標(biāo)志置位并產(chǎn)生中斷。時間間隔模式的優(yōu)點在于 eCAPx 直接給出時間間隔而不必計算。 數(shù)字 PID 算法 采用微處理器的數(shù)字 PID 控制器已經(jīng)出現(xiàn)，正如你即將看到，嵌入一個 PID控制器到你的代碼中是一個簡單的任務(wù) [27]。 典型的 PID 系統(tǒng)中，輸入指令信號和被控對象反饋信號的組合作為 PID 控制器三項的輸入，三項的輸出相加起來形成 PID 系統(tǒng)的控制輸出。如圖 410 為一個基本 PID 控制器的方框圖。 圖 410 模擬 PID 調(diào)節(jié)方框圖 PID 在數(shù)字化的計算機時代能得到廣泛應(yīng)用，主要有以下優(yōu)點： 技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求。 用各種 PID 的變種，如 PI、 PD 控制、積分分離式 PID 控制、帶死區(qū)的 PID控制、變速積分 PID 控制、比例 PID 控制等； 易被人們熟悉和掌握； 不需要求出數(shù)學(xué)模型； 控制效果好。 在模擬系統(tǒng)中， PID 算法的表達式為： ? ? ? ? ? ? ? ?1PDI d e tP t k e t e t d t TTd??? ? ?????? （ 44） 式中 ??Pt — 調(diào)節(jié)器的信號輸出； P I D Plant ADC r(t) e(t) u(t) Q(t) Output 34 ??et— 偏差信號，等于測量值與給定值之差； PK 一比例系數(shù)； IT 一積分時間； DT 一微分時間； 由此公式（ 44）可知其運算結(jié)果用于輸出控制。由于 DSP 為離散電子原件，只能處理數(shù)字信號不能處理模擬信號，因此要把模擬 PID 控制轉(zhuǎn)換成 數(shù)字 PID，將模擬 PID 參數(shù)離散化如表 41 所示。目前傳統(tǒng)的數(shù)字 PID 算法有兩種，位置式PID 算法和增量式 PID 算法，本文米用的是后者。 表 41 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 模擬形式 離散化形式 ? ? ? ? ? ?e t r t c t?? ? ? ? ? ? ?e n r n c n?? ??detdT ? ? ? ?1e n e nT?? ??0tetdt? ? ? ? ?00nniie i T T e i????? 增量式 PID 的原理如式（ 45）： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?11 2 1 2DPPu n u n u nTK e n e n K e n e n e nT? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? （ 45） 將式（ 45）整理下，簡化后得式（ 46）： ? ? ? ? ? ? ? ?0212au n a e n a e n a e n? ? ? ? ? ? （ 46) 式中0 1 DP I TTaK TT??? ? ?????，2 DPTaKT? 根據(jù)以上推導(dǎo)，可用 C 語言編寫出數(shù)字 PID 算法，流程見下圖 411,附件給出詳細(xì) C 語言程序 [28][29][30]。 35 圖 411 增量型 PID 算法流程圖 電流采樣程序設(shè)計 電流反饋信號經(jīng)過反饋回路的硬件濾波后，大部分噪聲信號已被消除，為了取得更好的濾波效果，我們在軟件里設(shè)計了一個簡單的均值濾波器。開機時，因為電機線圈里可能有殘留電流，剛開始采樣的電流值是不準(zhǔn)確的，于是程序設(shè)計把頭 20 次采樣的電流值的舍棄。然后每次采樣 A、 B 兩路反饋值時，均重復(fù)采樣四次，然后取其平均值，這種濾波算法對幅度較大的尖峰干擾信號比較有效[31][32][33]。 內(nèi)置細(xì)分程序設(shè)計 本文設(shè)定內(nèi)置細(xì)分?jǐn)?shù)為 50000，構(gòu)造一個由 50000