基于DSP步进电机伺服系统设计

1、摘要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。步进电机细分驱动技术是七十年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。细分驱动技术进一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性。随着计算机技术的发展，特别是dsp（digital signal processor）的出现，开创了步进电机细分驱动技术的新局面。用dsp控制的步进电机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化，从而使细分驱动技术得到了推广。国内步进电机细分

2、驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用光电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度。本文介绍了两相混合式步进电机的工作原理，推导了步进电机的动态方程，分析了细分驱动方法，提出了基于dsp控制的pwm电流矢量恒幅均匀旋转法的细分驱动技术，实现了步进电机32细分驱动。为了检测细分后的步距角，采用了光电编码器来检测，并给出了系统的仿真结果。关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。关键词：dsp；步进

3、电机；细分驱动；伺服系统abstractstep motor is a kind of electrical and mechanical component which is driven by electrical pulse controlling the winding current to achieve the rotation angle. compared with other types of motor ,it is easy for open-loop precision control and has no accumulation error . so it has

4、been applied in many fields. step motor breakdown-drive technology has been developed in the mid of 1970s. it can significantly improve the performance of the integrated use of motor-driven control technology. breakdown-drive technology improves the accuracy and the smooth running of the step motor

5、corner to the further. with the development of computer technology, especially the the appearance of dsp (digital signal processor), step motor breakdown-driven technology developed greatly. the step motor breakdown-drive circuit of the control system controlled by dsp not only reduce the size of th

6、e system and simplify the circuit, but enhance the accuracy and intelligence of control system, so that breakdown-drive technology got promoted quickly. domestic step motor breakdown-driven technology has been greatly developed in the mid-1990s, mainly used in industrial, aerospace, robotics, precis

7、ion measurement, and other areas. for example, the electro-optical theodolite in cnc machine tools and satellite tracking using step motor breakdown -driven technology, greatly improves the control accuracy. in this paper, the principle of two-phase hybrid step motor has been introduced and the equa

8、tion derivated. this paper analysises the breakdown-drive approach and gives breakdown-drive technology by the way of pwm current uniform rate and constant rotation based dsp control. this realizes the step motor drive s 32 breakdown. in order to detect the step angle after breakdown, we can use the

9、 photoelectric encoder to detect it, and give the system the simulation results.key words：dsp；step motor；breakdown drive；servo system目录摘要1abstract2引言11 概述21.1选题背景21.2步进电机的发展及应用21.3课题研究内容52混合式步进电机52.1两相混合式步进电机的结构及工作原理52.2步进电机的运行特性62.3两相混合式步进电动机的数学模型83步进电机驱动器103.1驱动器工作原理103.2由mosfet组成的h桥驱动电路104基于dsp的步

10、进电机细分控制器设计134.1dsp简介134.2步进电机的细分控制原理144.3模糊pid算法175伺服系统设计205.1系统硬件设计205.2系统软件设计245.3系统仿真分析28结论31参 考 文 献32附录a系统硬件接线33致谢34引言步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可

11、以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。由于受制造工艺的影响，步进电机的步距角一般较大，还存在低频振动，在低频时有明显的“步进”感。这使得步进电机一般只能应用在一些要求较低的场合。为了改善步进电机运行平稳性，提高分辨率，降低噪音，产生了各种阻尼法，而细分法是其中最有发展前景的方法。步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。也就是控制各相励磁绕组中的电流阶梯地上升或下降，从而实现细分。本课题采用的细分驱动方法是电流矢量恒幅均匀旋转法。步进系统

12、的主要优点之一是能在开环系统中工作，这种运行方式由于控制线路经济简单，不需反馈编码器及相应的线路，所以在很多位置和转速控制中，在精度和稳定性要求不高的场合得到广泛应用。目前市场上90%的步进驱动都是属于开环控制。但是步进电机在开环方式下工作其性能常常受到一些限制，开环运行会带来失步的风险，从而引起定位不准。当一定的负载使步进电机工作在最大力矩点附近，以及为了提高生产率而提高加速度的时候，会有更高的失步堵转风险。增加反馈闭环控制可避开对传统步进电机的这些限制，纠正偏差实现准确定位。本课题用光电编码器检测偏差，通过控制器进行补偿。1 概述1.1 选题背景步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实

13、现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。步进电机细分驱动技术是七十年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术，它进一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性。随着计算机技术的发展，特别是dsp芯片的出现，开创了步进电机细分驱动技术的新局面。用dsp控制的步进电机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化，从而使细分驱动技术得到了推广。国内步进电机细分驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用

14、电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度，这样就使步进电机伺服系统的应用前景更加广阔。dsp控制器的技术水平主要体现在三个层面：硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内步进电机控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，有的甚至更加先进。与欧美发达国家相比，国内控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。以两相混合式步进电机为执行部件的位置伺服系统是一个典型的机电一体化系统,具有开放性、灵活性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为机电一体化的实验平台,满足了现代运动控制技术研究和实验的需要。同时本系统也可以作为数控系统的开发工具。该系统符合工业现

15、场标准,可以直接进行工业现场控制。两相混合式步进电机采用微步驱动模式,可以达到平滑的运动轨迹,提高分辨率、消除振动。1.2 步进电机的发展及应用(1)步进电机的发展步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为step motor或stepping motor， pulse motor,stepper servo，stepper等等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机的工作过程为，每输入一个脉冲信号，则改变一次励磁状态使转子转过一定角度，若没有脉冲信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。因此，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流

16、电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机。步进电机工作的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成

17、为电动机的一种基本类型。我国步进电机的研究及制造起始与上世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反应在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究也发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为产品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及其驱动器作为产品广泛利用。(2)步进电机的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。由于其结构简单、

18、价格低廉、定位方便、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点而广泛应用在各种自动化控制系统中。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要a/d转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的经济型数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电机制造技术及电子技术的发展，步进电动机己经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边

19、机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。(3)步进电机驱动系统存在的缺点控制精度不高两相混合式步进电机步距角一般为3.6o、1.8o，五相混合式步进电机步距角一般为0.72o、0.36o。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09o。但在一些高精度系统中这样的步距

20、角显然不能满足要求。低频振荡步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。高频出力不足步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300-600rpm。目前步进电机在脉冲当量为lum时，最高移动速度仅有2mm/min，且功率越大，移动速度越低。响应速度问题目前步进电机的控制大都为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。步进电

21、机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200400毫秒。由于以上这些缺点，使得步进电机在控制要求较高时不能满足要求，例如步进电机在控制机床进给运动中，限制了数控机床的精度和可靠性，只能用在精度要求不高的场合。(4)提高步进电机驱动系统性能的措施步进电机本体、步进驱动器、步进控制器构成步进控制系统不可分割的三大部分。步进电机的本体性能由生产厂商决定，步距角由电机结构决定，对于用户，不可能通过等改变步进电机参数来改善电机性能；当电机和负载确定后，整个系统的性能完全取决于驱动电源和控制方法，如不采取先进的驱动技术，步进驱动系统就会存在电路效率低、低频振荡、高频出力不足、丢步、电磁噪声大等缺

22、点。目前各种步进电机驱动电源和控制电路的控制方法很多，针对步进系统存在的缺陷，为了提高系统的运行性能，对驱动器常采用以下几种措施：提高驱动电源性能主要是在功率驱动部分改善各相绕组电流波形上升下降的前后沿，达到各相电流在高低频时都能保持额定值，提高运行时的矩频特性。采用细分驱动技术近年来发展起来的步进电机细分驱动技术，就是通过驱动器把电机步距角细分。由于可以显著地减小步进电机的步距角，步距角越小，进入稳定区域越容易，这样就增加了电机运行的平稳性，减弱或消除步进电机的低频振荡，同时也可提高电机进给分辨率和精度，提高了启动频率，因而在实践中得到了广泛的应用。采用闭环控制方式。1.3 课题研究内容本课

23、题的研究内容是使用dsp控制步进电机，实现步进电机的微步驱动，构成伺服系统。本文描述了步进电机的一种微步驱动策略及基于dsp芯片的实现方法。该方法使用模糊pid控制算法调节电机定子两相绕组中的电流，使之严格按照正交的正弦函数，即相位相差90度曲线变化。实现了对步进电机的微步驱动，提高了系统的定位精度。同时该方法解决了噪音、振动及不均匀步距等问题。本课题的核心内容是： 驱动器线路设计；spwm细分控制器设计；模糊pid算法。2混合式步进电机2.1 两相混合式步进电机的结构及工作原理(1)步进电机的结构两相步进电机的基本结构如图2.1。两相步进电机在结构上分成转子和定子两部分。定子一般由硅钢片叠成

24、，定子上所绕的线圈称为励磁线圈。对于如图2.1所示的绕线方式，a、a引线形成一相，b、b引线形成另一相。当给某相线圈通电时将形成4个磁极。这样，对于两相双极步进电机共有a、a和b、b两个绕组，全部通电时将形成8个磁极。每个定子磁极内表面都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同1。b a a b 图2.1 混合式步进电机的结构图(2)步进电机的工作原理在步进电机的结构中必定有错齿的存在。如果给处于错齿状态的相线圈通电，转子在电磁力的作用下，如果磁极相异，则转子向完全对齿方向转动，如果磁极性相同，则转子向完全错齿方向转动。假设将电机的转子置于线圈所产生的磁场中，便会受到磁场的作用而产生与磁场方向一

25、致的力，转子便开始转动，直到转子的磁场和线圈的磁场方向一致为止。步进电机的转动就是基于这一原理实现的。即按如下四个步骤循环通电：aa相通电，电流方向为aa；bb相通电，电流方向为 bb；aa相通电，电流方向为aa；bb相通电，电流方向为bb。可以分析出，在每一次通电过程中，步进电机的转子均相对上次通电时的平衡位置顺时针旋转了四分之一齿距角即1.8o。对绕组通电一次的操作称为一拍，该一拍信号由一个脉冲来提供。按照上面的通电顺序，步进电机转过一个齿距角7.2o，需要四拍即四个脉冲。对于齿数为50的转子，若转动一圈，则需要504=200个脉冲。2.2 步进电机的运行特性(1)步进电机运行的矩角特性步

26、进电机单步运行时的矩角特性如图2.2所示，从图中可以看出，假设负载转矩为t1，则改变通电状态时，电磁转矩的值大于负载转矩，从而使转子加速，朝+方向运动，达到新的平衡点o2处。如果开始负载转矩相当大，如图中t2，则改变通电状态时，由于新的矩角角特性曲线2上的点的电磁转矩的值小于负载转矩t2，因此转子不能向+方向新稳定点o2点运动，反而向方向滑动。这就是说电机能带动的的最大转矩要比其最大静转矩小。曲线1和2的交点转矩tq是步进电机的起动转矩。可见，在最大静转矩相同的条件下，步距角减小，曲线的交点t就较高，步进电机带载能力也相应增大。所以细分可以很好地解决起动转矩问题和提高带载能力2。图2.2 单步

27、运行步进电机的矩角特性（2）步进电机的矩频特性图2.3 步进电机的矩频特性步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即tdm=f(f)称为矩频特性。步进电机的矩频特性如图2.3所示，从图中可以看出，步进电机的最大动态转矩将小于最大静转矩，并随转速的升高而下降。因为步进电机控制绕组中存在电感，相应地有一定的电气时间常数。所以控制绕组中电流增长也有一个过程。当频率高时，由于时间常数的存在，绕组中电流未达到稳态值时就下降了，这样电机的最大动态转矩小于最大静转矩，同时电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，最大动态转矩也减少。所以数控机床在高速定位运动时如加减速时间常数设得小，就会造成高频出力不足而出现

28、闷车、丢步。由于绕组电感是随转子齿和定子齿相对位置变化而不断变化的，因此绕组中产生的旋转电势，使得本来就不是理想方波的电流波形畸变，波顶下凹，如下图2.4所示，重载时则更明显。 电机不转 电机旋转 重负载图2. 绕组旋转电势对电流波形的影响结果造成电流有效值下降并导致电机在低频段出力不足。另外，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，则将产生共振，在共振频率附近，动态误差最大，会导致步进电动机失步。步进电机都有低频共振现象，应当设法减弱振动并保证不失步。步进电机在正常运行时，振动的极限振幅是一个步距角。步距角小，振动也小。所以相数多的步进电动机或运行拍数多的不通电方式，振动不很明显，低频共振

29、的危险小一些。（3）步进电机的工作频率步进电机的工作频率是指电机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。通常分为起动频率、制动频率和连续工作频率。起动频率是指电机在一定负载下不失步地起动的最高频率。对同样的负载来说，正反向起动频率和制动频率都是一样的。起动频率的大小是由许多因素决定的，绕组的时间常越小，负载转矩和转动惯量越小，步距角越小，则起动频率越高。工作频率是指电机起动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。起动频率和工作频率都是衡量电机性能的一项重要技术参数。2.3 两相混合式步进电动机的数学模型（1）电路方程混合式步进电机一相支路的电动势平衡方程式为： (2.1)式中u为励

30、磁绕组的外加电压；i为单条支路的绕组电流；r为单条支路的绕组电阻；为单条支路绕组的磁链，是绕组电流i和转子位置角e的函数。以磁链为积分变量，设定电机的转速恒定，有： (2.2) 即： (2.3)（2）机械方程按照力学定律列出在电磁转矩作用下的转子(包括负载)的机械运动方程为： (2.4)式中：为转子位置角；j为电动机及负载的总转动惯量；d为粘滞摩擦系数；tl为负载转矩。（3）机电联系方程 (2.5)式中wm为电机内总的磁共能；tm为最大转矩3。3步进电机驱动器3.1 驱动器工作原理图3.1是恒流斩波驱动电路原理图，当有控制脉冲信号输入时，功率管v1，v2导通，控制绕组中的电流在高压电源作用下迅

31、速上升。当上升到电流i1时，电流检测信号使功率管v1关断，高压电源被切除，低压电源对绕组供电。倘若由于某种原因使电流下降到i2时，电流检测装置再次发出信号使v1导通，电流再次上升。这样如此反复进行就可使电流维持在要求值的附近。这种驱动方式不仅具有高低压驱动方式的优点，而且由于电流的波形得到了补偿，使电机的运行性能得到显著提高。它的缺点是线路相对较复杂，而且要求功率管的开关速度高4。图3.1 恒流斩波驱动电路原理图3.2 由mosfet组成的h桥驱动电路本设计中采用l298双h桥驱动器和l297步进电动机恒流斩波驱动器组成的双极性恒流斩波驱动电路5。l297是st公司推出的一种步进电动机斩波驱动

32、控制器，适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制，图3.2是它的原理框图。它主要包含下列三部分：译码器即脉冲分配器，它将输入的走步时钟脉冲（cp）、正/反转方向信号（cw/ccw）、半步/全步信号（half/full）综合以后产生合乎要求的各相通断信号。斩波器，由比较器触发器和振荡器组成，用于检测电流采样值和参考电压值，并进行比较，由比较器输出信号来开通触发器，再通过振荡器按一定频率形成斩波信号。输出逻辑，它综合了译码器信号与斩波信号，产生a、b、a、b信号及禁止信号。控制（control）信号用来选择斩波信号的控制方式，当它是低电平时，斩波信号作用于禁止信号，而当它是高电平时，

33、斩波信号作用于a、b、a、b信号。使能（enable）信号为低电平时，禁止信号及a、b、a、b信号均被强制为低电平。l298双h桥驱动器，可接收标准ttl逻辑电平信号，h桥可承受46v电源电压，相电流可达2.5a，可驱动电感性负载。它的逻辑电路使用5v电源，功放级使用546v电压，下桥臂晶体管的发射极单独引出，并联在一起，以便接入电流取样电阻，形成电流传感信号。内部结构如图3.3所示。图3.4为由l297、l298组成的双极性恒流斩波驱动电路。当某一相绕组电流上升，电流采样电阻上的电压超过斩波控制电路l297中vvof 引脚上的限流电平参考电压时，相应的禁止信号变为低电平，使驱动管截止，绕组电

34、流下降。待绕组电流下降到一定值后，禁止信号变为高电平，相应的驱动管又导通，这样就使电流稳定在要求值附近。斩波控制方式 control译码器 输出逻辑 d q cp osc q s r s q r + _ _ + 接地 检测a 检测b vvof 斩波频率rc +5v 使能enable 1 禁止a 2 3 4 禁止b +5v 半部/全部 复位reset cw/ccw 步进脉冲step 终点信号home 同步信号输出sync 图3.2 l297电路原理图 图3.3 l298内部原理框图图3.4 由l297、l298 组成的双极性恒流斩波驱动电路4基于dsp的步进电机细分控制器设计4.1 dsp简介t

35、ms320lf2407a dsp是美国ti公司专为数字电机控制而推出的一种16位定点dsp，它集dsp的信号高速处理能力和适用于电机控制的外围电路于一体，为电机控制系统数字化设计提供了一个理想的解决方案，在电机数字控制中得到了广泛的应用6。2407a dsp由内核cpu、存储器、片内外设三个主要功能单元组成。中央处理单元(cpu)主要包括16位定标移位器、1616并行乘法器、32位中央算术逻辑单元、32位累加器以及在乘法器与累加器输出端的附加移位器。片内存储器包括2.5k的ram和32k的flash eeprom。片内外设主要包括事件管理器、串行外设接口、串行通信接口、a/d转换器、看门狗等。

36、看门狗定时器(watchdog)是一个8位增量计数器。在正常工作情况下，程序周期性对定时器进行清零；若程序出错或死机，则定时器溢出，产生复位信号。事件管理器(event manager module)包括三个通用定时器、三个全比较单元、脉宽调制电路、捕获单元以及正交编码器脉冲(qep)电路。事件管器这个为应用而优化的外围设备与高性能的dsp内核一起，使在所有类型电机的高精度、高效和全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的脉宽调制(pwm)单元。例如：一个可编程的死区单元和一个用于三相电机的空间向量pwm状态机，它们可以在功率三极管开关过程中提供最大的效率。三个独立的双

37、向定时器，每一个都有单独的比较寄存器，可以支持对称的或不对称的pwm波形。四个捕获输入中的两个可直接连接来自光学编码器的正交编码脉冲信号。其他片内外设这里不再一一介绍。4.2 步进电机的细分控制原理步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。步进电机的步距角公式：s=2/knr(其中k为所有m个绕组换接的总拍数，k=am，a为常，m为定子相数，nr为转子齿数)。可知s只由电机自身参数m、nr和电机驱动方式a决定。受电机制造工艺的影响，靠增加m，nr来减小步距角受到一定限制，此时必须通过增大a来获得较小的步距角。为得到更大的a，就

38、必须采用细分的方法7。步进电机的细分控制方法，是通过控制步进电机各相绕组中的电流，使其按一定规律阶梯上升或下降，从而获得从零到到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量也就存在多个中间状态，转子就沿着这些中间状态以微步距转动，并且合成磁场矢量的幅值决定了转矩的大小，相邻合成磁场的夹角决定了微步距的大小。转子是跟随电机内部合成磁势一起转动的，若能控制定子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，则可实现对步进电动机原有步距角的细化，使转子以任意小的步距增量旋转，以增加其运动的连续性，提高步进分辨率和定位精度。细分控制基本思想是在每次输入脉冲切换时，不象单四拍那样，将相绕组电流

39、全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样步进电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只有步距角的一部分。利用电流的恒流控制技术可以有效地实现步进电机的微步驱动，将原来一步的步距角分成若干份，以更多的步数来走完相同的步距角，从而提高步进电动机系统的分辨率和运行的平稳性。为保证细分后步距角仍然一致，步进电机的细分控制方法是通过向a相绕组和b相绕组分别通入两个幅值相等、相位互差90度的正弦阶梯电流波来实现的。通过调节电流幅值的大小可以调节输出转矩的大小，正弦波在一个周期内的采样次数即是细分的步数，也是转子转动一个齿所需的步进脉冲数，当正弦波的采样次数足够多时

40、，由a、b两相绕组合成的磁场可以近似地认为是均匀、等幅、连续的圆形旋转磁场，这时转子便可以精确定位在任意位置，从而达到细分控制的目的，这就是步进电机的细分控制策略。图4.1则为细分控制下相电流变化的波形图。由上述分析可知，将a、b绕组分别通以等角度变化的正、余弦阶梯波电流，转子就会以预定的微步距旋转。改变正、余弦阶梯波的阶梯数，就可以改变转子转动一周所需的微步数。步距角为1.8时,要使步进电机步距角实现32细分,需将a、b两相绕组中的正余弦电流按角度32等分，则转子转动一周需要6400步。使用细分控制，由于步距角很小，在大幅度提高步进电动机分辨率的同时，可以有效地抑制单步运行时所产生的噪声和振

41、荡现象，无需专门的阻尼器，既减小了控制器的体积，又降低了成本。可见，使用细分控制可以方便地实现对步距角的可变细分，只要对绕组电流划分的足够细，步进电动机就可以以任意小的步距旋转，实现极高的定位精度。可见步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在32细分状态时，其步距角只为“电机固有步距角”的三十二分之一，即当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8o；而用细分驱动器工作在32细分状态时，电机只转动了0.05625o。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技

42、术要求。4.1 相电流变化示意图（1）两相混合式步进驱动细分电流的波形选择ia ih ib ia ib 图4.2 恒幅均匀旋转电流矢量为了使细分后的步距角均匀一致，且输出力矩恒定，本文采用了电流矢量恒幅均匀旋转的细分驱动方法。我们知道，在电机的定子上，空间角互差90度安置，两个绕组通以电气角互差90度的正弦波就能产生一个圆的旋转磁场。如果转子上有磁极，则该旋转磁场带动转子同步旋转，这就是同步电机的原理。也就是基于这样一种原理，将互差90度的两相交流电通入两相步进电机的两个绕组中，该步进电机和同步电机一样平稳地运转。如果我们在两相绕组中通入互差90度的两相“阶梯型”拟正弦波电流时，就可得到恒转距

43、细分驱动的效果，“阶梯”越细小，越接近正弦波，得到的步距角越小，细分效果越好。同时改变两相龟流的大小，使电流合成矢量恒幅均匀旋转，这种方式可称为步进电机的模拟运行，它是一种基于交流同步电机概念的特殊细分技术，实质是对运行于交流同步电机状态的步进电机所受的交流模拟信号在一个周期内细分，即每个细分点对应于一个交流值。当细分数相当大时，电机绕组的电流信号就逼近模拟连续信号。这种细分技术可以极大地提高步进电机的分辨率和运行稳定性8。采用该方法时，电流合成矢量的旋转示意图如4.2。图中得ia， ib，ih分别表示a，b两相电流矢量及两相电流合成矢量。根据这种恒幅均匀细分方法，要想实现步进电机的恒力矩均匀

44、细分控制，必须合理控制步进电机绕组中的电流，使电动机内部合成磁场的幅值恒定，并且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化要均匀。根据这种情况，通过对a、b两相绕组加上正弦电流来实现定子电流合成矢量的“恒幅均匀”微步旋转，建立一种可消除滞后角影响的步进电动机的细分控制函数数学模型：ia=im sin，ib=im cos (4.1) 式中：iaa相绕组电流，ibb相绕组电流，控制参数，为转子偏离参考点的角度，im合成电流矢量幅值，cos控制参数余弦值，sin控制参数正弦值。基于这种数学模型建立的电流，只要在两相绕组中每一细分步时通入按上述公式变化规律的电流，其合成力矩幅值恒定且角度相等，理论上实现了

45、恒力矩均匀细分。4.3 模糊pid算法采用模糊pid控制算法实现对伺服系统的高精度控制可获得稳定的转速,对于摩擦、间隙等非线性环节运用模糊pid控制时,可达到高精度的控制9。这些情况的产生是由步进电机的频率特性曲线决定的。如果转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场,即低于换相速度,则输入电机的电能不足,在步进电机中产生的同步力距无法令转子速度跟随定子磁场的旋转速度,从而引起失步或不运转。为了解决这个问题,一般采取一个“加速-恒速-减速-停止”的过程,如图4.3中虚线。而为了使步进电机的响应速度加快,运行平稳,噪音降低,图中实线的控制过程是很理想的,本论文正是基于这种控制策略,同时为了精确控制步进电

46、机的速度,采用模糊pid控制,一般的离散pid控制规律为:图4.3 步进电机的运行曲线 (4.2) 式中，kp为比例增益系数，使系统的动作灵敏，响应速度加快。但kp偏大，振荡次数会增多，调节时间加长，当kp太大时，会导致系统不稳定；而若kp太小，又会使系统的动作缓慢。1/ti，为积分作用系数，使系统消除稳定误差，提高无差度。但1/ti，过大时，会引起响应过程的较大超调，而1/ti，太小，则使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。td为微分作用系数，反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。但td偏大，超调量会增大调节时间增长。一般的离散pid控制，一旦kp，

47、1/ti，td确定之后，在整个控制过程中是不变的，而为了达到整个控制系统总体效果最佳，只能忽略掉一些局部效果，这就使得各作用了比例、积分、微分少没有充分发挥。而模糊p1d控制就不同，可根据不同的偏差。和偏差变化率e，而选择不同的kp，1/ti，td参数，从而改善各局部性能，促使整体控制性能提高。在不同的e和e时，对kp，1/ti，td的要求为：当e很大时，为了加快系统的响应速度，避免因e瞬间变化大而引起微分饱和，避免系统出现很大的超调，此时可只采用p控制。当e中等时，为了减小系统的超调同时保证系统的响应速度，此时可采用pd控制，取较小的kp,e较大时，td可取稍小；e较小时，td可取稍大。e较

48、小时，为了使系统具有良好的稳定性，提高系统的抗干扰性，避免系统振荡，采取p1d控制。选取较大的kp，和1/ti；当e较大时，td可取稍小；e较小时，td可取稍大。取e和e为输入变量。e取“大(l)”、“中(m)”和“小(s)”；e取“大(l)”和“小(s)”。其隶属函数如图4.4和图4.5。e se me le e2 e1 e3 图4.4 e的隶属函数图4.5 e的隶属函数e和e共有如下状态组合；每种状态的隶属度可分别计算：e=l (4.3)e=m,e=b (4.4)e=m,e=l (4.5) e=s,e=b (4.6) e=s,e=l (4.7)，i从15 (4.8) ，i从45 (4.9)

49、 ，i从15 (4.10)其中，kpi、1/tii和tdi为不同状态下的预定值。_ f(e,ec) e(t) de/dt pid控制 对象 fuzzy推理 修正因子a r(t) y(t) 图4.6 fuzzy-pid控制框图5伺服系统设计5.1 系统硬件设计在开环控制系统中，电机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统，在系统中引入检测环节并对其进行闭环控制,可从根本上解决步进

50、系统的精度问题。控制系统如图5.1。驱动电路 步进电机 tms320lf2407a dsp 环形脉冲发生器 光电编码器 图5.1控制系统结构图这里提出的步进驱动系统闭环控制方法,一方面对步进电机的步距角进行细分驱动,另一方面引入位置检测环节,使系统的运动部件的位置精度由检测环节的测量精度决定,并对系统中各种非线性因素的影响通过位置控制器进行有效的动态校正与补偿。检测环节可将检测到的实际位移反馈给控制器,控制器根据检测到的运动部件的实际位移和速度状态,来调整输入脉冲的数量、频率,使步进电机稳定在正常运行状态,并使运动部件的实际位移与指令要求一致,从而满足步进驱动系统的精度和可靠性的要求。与开环系

51、统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。将位置传感器测出的电机实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制，不仅可防止失步，还能够消除位置误差，提高系统的精度。整个控制系统分为四个部分：dsp中央控制器tms320lf2407a、步进电机及其驱动、光电编码器。在这个设计中基于对力矩、平稳、噪音等方面的考虑，在这里设计成产生一个两相四拍信号来进行步进电机的控制，通电顺序为abab，步距角为1.8。功率放大采用的是由l297和l298组成的专用芯片构成双极性斩波驱动电路。光电编码器的选择，可以选择采用德国海登海因生产的rod426脉冲式编码器。根据前面的讨论，电机a,b绕组分别通以等角度变化的

52、正、余弦阶梯波电流，转子就会以预定的微步距旋转。改变正、余弦阶梯波的阶梯数，就可以改变转子转动一周所需的微步数。因此，控制器的任务就是控制电机绕组的电流，使之按正、余弦阶梯波的规律变化，上位机每给一个步进脉冲，a,b绕组的电流沿正弦阶梯波前进一步，电机转动一个步距角;上位机不给脉冲，则a,b绕组电流保持不变，电机停止并稳定在某一位置。若上位机给以连续匀速的脉冲，绕组电流将按如图4.1所示曲线变化。脉冲的频率对应图中正弦波的周期长短。本设计采用的是两相混合式步进电机，其接收数字控制信号（电脉冲号)，并转换成与之相对应的角位移。2407a dsp接受来自上位机的步进脉冲及其他控制信号，事件管理器a的4路pwm输出，经驱动电路控制电机的绕组电流。为了达到控制绕组电流的目的，我们必须在设计中引入电流反馈，采样电流通过adc00、adc01经处理后送到 dsp的a/d转换模块，由dsp完成正弦波产生、调制、电流调节、控制信号输出等工作，可方便地完成正、反转，变细分步数，变转矩等功能。编码器的a、b信号与正交解码脉冲单元qep相对应的引脚连接,可以检测出步进电机的位置,并能够判断出步进电机的