【正文】 四相步進電 機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。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]。 脈 沖D 相C 相B 相A 相 脈 沖D 相C 相B 相A 相( b ) 雙 四 拍( c ) 八 拍 圖 26 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 四相步進電動機，有單四拍（ A— B— C— D）、雙四拍（ AB— BC— C— CD—DA）、八拍（ A— AB— B— BC— C— CD— D— DA,或者 AB— ABC— BC— BCD— CD— CDA— DA— DAB） 。 四相步進電機是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式斯福電機。它與一般的一步電機不同，它的定子又分為定子鐵芯和繞組，其中其對應(yīng)的定子鐵芯上的繞組為一相構(gòu)成一對極，它 共有四對極。其中轉(zhuǎn)子的齒或槽與定子的齒或槽大小相等。由此可知它的齒距角為 度，當它是由單拍控制時它的步進 角為 度，當它是八拍控制時，它的步進角為 度，當它處于圖中所在的位置時，此時 A 相正好與轉(zhuǎn)子的齒對齊，這時 B 相的定子齒與轉(zhuǎn)子上的齒相差四分之一個齒距角，以此類推可知C 相相差四分之二， D 相相差四分之三。 四相八拍 步進電機的工作原理如圖 25， 當 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。當要求其停止時，只給某相通電流并保持即可，它的工作脈沖如圖 25 所示： A A BC DBACB CD ADADA DA C DC DD A 圖 25 四相步進電機脈沖 步進電機的 DSP 控制 電機的 DSP控制方法 步進電機的驅(qū)動電路時是根據(jù)控制信號工作地。其基本控制作用如下：步進電機的驅(qū)動 電路時是根據(jù)控制信號工作地。其基本控制作用如下： xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 1. 控制換相順序 步進電動機的通電換相順序是嚴格按照步進電機的工作方式進行的。例如，三相步進電動機的單三拍工作方式，其各自通電和順序為 A— B— C— D，通電控制脈沖必須嚴格地按照這一順序分別控制 ABC 相得通電和斷電。例如四相步進電動機工作在單四拍方式，通電換相的正序是 A— B— C— D，電動機就正轉(zhuǎn)；如果按反序 A— D— C— B，電動機就反轉(zhuǎn)。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機就轉(zhuǎn)的越快。 步進電機的轉(zhuǎn)速可由下式計算 : W = θ Nf (2－ 1) 當步進電動機的工作方式確實之后，調(diào)整脈沖的頻 率 f，就可以對步進電動機進行調(diào)速。步進電動機的位置控制值得是控制步進電動機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確地運行到里一個位置。 步進電動機的位置控制需要兩個參數(shù)： 第一個是步進電動機控制的執(zhí)行機構(gòu)當前的位置參數(shù)，我們稱為絕對位置。絕對位置一般要折算成步進電動 機的步數(shù)。也將這個距離折算成步進電動機的步數(shù)，這個參數(shù)是從外部輸入的。 絕對位置參數(shù)可以作為人機對話的顯示參數(shù)，或作為其他控制目的的重要參數(shù)，因此也必須要給出。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 步進電機的速度控制 實際上，多數(shù)步進電機用于開環(huán)控制，因此沒有速度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。另外在位置控制中，執(zhí)行機構(gòu)的位移也不總是在恒定速度下進行的。斜面討論步進電動機在運行中的加減速問題。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，步進電動機要發(fā)生失步現(xiàn)象，會造成不能正常啟動。如果非常緩慢的升降速，步進電動機雖然不會產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機構(gòu)的工作效率。 為了滿足加減速要求，步進電動機運行通常按照加減速曲線進行。加減速運行曲線沒有一個固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗和試驗得到的。其加減速曲線都是直線，因此容易編程實現(xiàn)。但是，當步進電動機在轉(zhuǎn)速升高時，因感應(yīng)電動勢和繞組電感的作用，繞組電流會逐漸減少，所以電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加和下降，因而實際加速也隨頻率的增加而下降。 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。 加 速f恒 速減 速f qttfOO（ a ) 勻 加 、 減 速 曲 線（ b ) S 形 加 、 減 速 曲 線 圖 26 加減速運行曲線 步進電動機的運行還 可以根據(jù)距離的長短分如下三種情況處理： 1. 短距離 由于距離較短，來不及升到最高速度，因此在這種情況下步進電動機以接 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 近啟動頻率運行，運行過程中沒有加速。 3. 中、長距離 不僅有加減速過程，還有恒速過程。因此，在加速時，盡量用接近啟動頻率啟動。 本章小結(jié) 本章首先介紹了步進電機的發(fā)展和特點，接下來介紹了步進電機的分類和結(jié)構(gòu)特點，進而介紹了步進電機的步進原理， 和四種步進方式，以及步進電機的 DSP 控制方式方法。 2. TMS320C55xx 評估板及相關(guān)電源。 3. 通用 DSP 仿真器一臺及相關(guān)連線。 4. 控制對象（選用）。 5. TI 的 DSP 開發(fā)集成環(huán)境 Code Composer Studio。 6. 仿真器驅(qū)動程序。 ICETEKVC5509A評估板技術(shù)指標： 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 標準； 8M bit 擴展 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 標準的 DSP 擴展總線，包括數(shù)據(jù)、地址、I\O、控制； 4 組標準擴展連接器，為用戶進行二次開發(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，可以實現(xiàn)脫機工作。該系列器件采用快閃存儲技術(shù)（ FastFlash），比 EECMOS 工藝的速度快，功耗低。宏單元數(shù)達到 288 個，系統(tǒng)時鐘可達到 200MHz。 CPLD 器件重要特點 ： 采用 快閃存儲技術(shù)，器件速度快，功能強，引腳到引腳的延時最低為4ns，系統(tǒng)速度可達 200MHz，器件功耗低； 引腳作為輸入可以接受 、 和 等幾種電壓，作為輸出可以配置 、 、 等電 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 壓； 支持在系統(tǒng)編程和 JTAG 邊界掃描測試功能，器件可以反復(fù)編程達 10000次，變成數(shù)據(jù)可以保持 20 年 ； 集成度為 36288 個宏單元， 8006400 個可用門，器件有不同的封裝形式。 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。該定長周期被成為 PWM（載波） 周期，它的倒數(shù)被成為 PWM（載波）頻率。 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。這 6 個特定的 PWM 輸出引腳可用于控制三相交流感應(yīng)電動機和只留無刷電動機。 PWM 帶你路還可以用于控制其他類型的電動機，如直流有刷電動機和用于控制單軸和多軸的步進電動機。 2． 產(chǎn)生 PWM 的寄存器設(shè)置 比較單元和相關(guān)電路所有三種 PWM 波形的產(chǎn)生，需要對相同時間管理寄存器進行配置，產(chǎn)生 PWM 輸出的設(shè)置步驟 如下： 設(shè)置和裝載 ACTRx 寄存器。 設(shè)置和裝載 T1PR 或 T3PR 寄存器，即規(guī)定 PWM 波形的周期。 設(shè)置和裝在 COMCONx 寄存器。 更新 CMPRx 寄存器的值是輸出 PWM 波形的占空比發(fā)生變化。每個脈沖的寬度只能從脈沖的一邊開始變化。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。 COMCONA 寄存器中的相應(yīng)為用來設(shè)置比較操作使能，再將選中的輸出引腳置成 PWM 輸出并且使能這些輸出。一個死區(qū)值將用與所有的 PWM 輸出通道。這種可用軟件靈活空盒子的 PWM 輸出，尤其適用于控制開關(guān)磁阻電動機。因為比較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。 P W M X（ 高 有 效 ）定 時 器 周 期 1定 時 器 值定 時 器 周 期 1周 期 大定 時 器 周 期 2( P W M )P W M X + 1（ 低 有 效 ）+ 比 較 匹 配 點死 區(qū) 圖 33 比較單元和 PWM 電路產(chǎn)生非對稱的 PWM 波形 4． 對稱 PWM 波形的產(chǎn)生 對稱 PWM 信號的特性由 PWM 周期中心對產(chǎn)的調(diào)制脈沖規(guī)定。已經(jīng)證明當使用正弦波調(diào)整時，在交流電動機（如感應(yīng)電動機）和只留無刷電動機的相電流中，對稱的 PWM 信號比非對稱的 PWM 信號引起的諧波失真更小。 比較單元和 PWM 電路的 PWM 波形的產(chǎn)生與非對稱的情況相似，唯一不同的是通用定時器的技術(shù)模式應(yīng)設(shè)置為連續(xù)增 /減技術(shù)模式。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。 定 時 周 期 1（ P W M ）死 去 時 間＋ 比 較 配 正 點P W M Ｘ ＋ １（ 高 有 效 ）P W M X（ 低 有 效 ）定 時 器 值 圖 34 比較單元和 PWM 電路產(chǎn)生 對稱的 PWM 波形 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 PWM 調(diào)速原理 在 PWM 調(diào)速時，占空比 a 是一個只能歌謠參數(shù)。 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。 控制原理 前兩種方法由于在調(diào)速是改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起震蕩，因此這兩種方法用得 少。 PWM 輸入對應(yīng) ICETEKVC5509 外擴展插座第 26 的 S22 信號， DSP 將在次引腳上給出 PWM 信號用來控制步進的轉(zhuǎn)速； ICETEKVC5509－Ａ板上 P4 擴展插座第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的方向。 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖 D A T A [ 7 ： 0 ] A D D R E S S [ 1 5 : 0 ] C S W E A I n 1 A 1A i n 2 A 2B i n 1 B 1B i n 2 B 2 B e n a b l eA e n a b l e地址譯碼AS A M O T O RU 4U 3U 2U 1D S PC P L DL 2 9 8數(shù) 據(jù) 鎖 存V C CBCD 圖 35 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 EMIF 接口 TMS320C5509DSP 的擴展存儲器接口（ EMFI）用來與大多數(shù)外圍設(shè)備進行連接，典型應(yīng)用如連接片外擴展存儲器等。 1．步進電動機由 DSP 通用 I/O 管腳輸出直接控制。 2．空載運行頻率大于 900PPS。 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。 2．使用電源連接線連接各模塊電源，確定總電源斷開。 3．連接 DSP 評估板信號線：當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。 5．將 ICETEKCTR 板的供電電源開關(guān) 撥動到“開”的位置。在出現(xiàn)的窗口中按標號順序進行如下設(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