基于DSP的混合式步进电动机伺服系统的硬件设计

王栋　张苏新

摘 要：步进电动机已有70年的发展历史，在开环高分辨率的定位控制占有主导地位，其最大优势是无累积误差，因此用在速度、位置等控制领域变得简单和经济。由于混合式步进电动机集成了反应式和永磁式的优点，应用极为广泛，文章主要针对混合式步进电机伺服系统进行硬件设计。首先对步进电动机在国外和我国的历史发展现状和趋势进行了分析，接着阐述了两相混合式步进电动机的基本结构及其工作原理，并在此基础上，对混合式步进电动机伺服系统进行了硬件设计，主控器选用TI公司的TMS320LF2407A型号DSP，配以由L298和L297组成的双极性恒流斩波驱动电路，电源模块选用TPSS7333QD芯片，选用ROD426脉冲编码器测量电机转速，还包括电流采用电路、LCD显示和DSP仿真器等，最终完成了该控制系统的硬件设计。

关键词：混合式步进电动机；TMS320LF2407A；硬件设计

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0011-02

1 背景概述

步进电机是机电一体化系统中的执行元件，广泛应用于工业自动控制系统中，步进电动机的雏形源于1830～1860年间，其原理是基于电磁铁的作用，其后主要应用于氩弧等的电极输送机构控制中，而最早发明步进电动机的是英国人。1960年，随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机相继出现，随着半导体技术的发展使得步进电动机在众多领域中得到应用，例如晶体管应用，使得通过数字化对步进电动机进行控制变得更为容易。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的应用越来越广泛，尤其是应用于高定位精度、高响应性和依赖性等灵活控制的机电系统中，其已经可以与直流电动机和交流电动机相提并论，属于第三类电动机。

步进电机是将电脉冲信号转化为角位移信号，可以简单定义为每次输入一个电脉冲，就旋转一个步距角，不输入则不旋转。从广义上讲，步进电机可以看作是无刷直流电机，同样也可看作一定频率范围内的同步电机。我国步进的起步阶段始于20世纪50年代后期，当时主要是一些高等院校和科研机构研究开发一些装置，以反应式步进电机为主。70年代后期，随着微型计算机和数字控制技术的发展，步进电动机驱动器和步进电机的生产有了长足的进步。到80年代中期，通过大量的实验室研究，使得步进电动机的精确度得到提高，因此各种混合式步进电机及其驱动器得到广泛应用。现在正在沿着小型化、改圆形电机为方形电机、对电动机进行综合设计和向五相和三相电动机方向发展。

步进电动机的分类有很多种，按照转矩产生的工作方式可以分为反应式、永磁式和混合式；按照输出扭矩可以分为快速步进和功率步进电动机；按照励磁组数可以分为两相、三相和四相等；按照电流级数可以分为单极性和双极性；按运动方式，可以分为旋转、直线和平面。

本文选用的是混合式步进电动机，运用TI公司的TMS320

LF2407芯片作为核心控制器，驱动电路采用L298双H桥驱动器和L293步进电动机恒流斩波驱动器，电源模块采用TPS7333QD芯片，采用JTAG和XDS510EPP仿真器接口进行程序下载和在线监视。最终完成了硬件电路的设计。

2 混合式步进电动机的结构及工作原理

2.1 混合式步进电动机的结构

混合式步进电动机又称为永磁感应式步进电动机，是在反应式和永磁式的基础上发展起来的，它结合了两者的优点，其输出转矩大，动态性能好，细密的极齿可以减小步距角，效率高，功耗小。市场上应用最多的是两相混合式步进电动机，市场占有率达到97%，其步距角为1.8 ？觷，采用细分驱动器后可以细分256倍。其结构主要由定子和转子组成，定子上有八个绕有线圈的铁芯磁极，八个线圈串接成A、B两相绕组，每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。转子主要环形磁钢、两端铁芯、轴和轴承组成，两端铁芯的外圆上有均匀分布的齿槽，齿槽相差1/2齿距。环形磁钢沿轴向充磁，两端转子铁芯两端分别成N、S极，称为N段转子和S段转子。

2.2 工作原理

混合式步进电机的运动是通过气隙中两种磁动势的共同作用，永磁体产生的磁动势和绕组电流产生的磁动势。定子上有四个线圈的磁极，相对磁极的线圈串联，组成两相绕组，由于同一相绕组两个线圈绕组的方向相反，通过同一电流时产生的磁场方向也相反，这样导致电流反向流过绕组所产生的磁场也相反。当绕组不通电时，气隙中只有永磁体产生的电动势，其方向为轴向，此时电动机无电磁转矩，其电动势磁通会沿磁阻最小的路径通过，即从N极返回到S极，同时当外力促使轴转动时，由于转子磁场的吸引作用，会有一个反向的阻转矩，称为自锁力矩。当绕组通电时，绕组电流产生的电动势就会与原电动势相互作用，使得电动机旋转，通电方式有单拍和双拍运行方式。

3 混合式步进电动机伺服系统的硬件设计

混合式步进电动机伺服系统的硬件主要由TMS320LF2407A核心控制器、步进驱动器及其步进电机、光电编码器、电流和转速反馈电路、LCD显示、电源模块和DSP仿真器组成。其控制系统硬件结构如图1所示，TMS320LF2407A控制器是由美国TI公司生产的16位定点型DSP，专门用于数字电动机的控制，其引脚共有144个，主要由内核CPU、存储器、片内外设三个功能模块。CPU包括定标移位器、乘法器、累加器、运算逻辑单元；片内存储器主要包括2.5 kbit/s的RAM和32 kbit/s的EEPROM。片内外设主要包括事件管理器A和B、数字I/O、10位的A/D模块、CAN总线、SCI、SPI串行模块等。DSP的外围电路设计主要包括：PLL滤波器输入电路、外部晶振电路、A/D模块基准电压产生电路、工作电压指示电路和各种跳线电路等。

驱动电路采用L298和L297组成的双极性恒流斩波驱动电路。L298双H桥驱动器内部由两组完全相同的全桥电路组成，每个全桥电路由4个MOSFET组成，最大开关频率可以达到40 kHz，能够驱动电感性负载，可承受的最大电压、电流为46 V和2.5 A。L297步进电动机恒流斩波驱动器是由ST公司生产的，主要应用于双极性两相步进电动机，其内部结构主要包括用于脉冲分配的译码器、用于检测电流采样值和参考电压值的斩波器、用于综合译码器与斩波器的输出逻辑电路组成。

本系统存在数字电路和模拟电路，为了保持较好的隔离，同时保证A/D转换精度及其抗干扰能力，本文选用芯片TPSS7333QD作为DSP和外扩RAM的电源，该芯片能够提供稳定的3.3 V和5 V电压。由于在电路中存在+5 V和VCC两种不同的数字电源，需要将TTL电平转化为CMOS电平，本文选用飞利浦半导体公司的电平转换芯片74LVC4245A，保证了电平之间的逻辑一致。

接口电路主要实现程序下载和通信功能。本文选用XDS5

10EPP仿真器通过引线与JTAG接口的8个引脚连接，用于DSP的编程下载及其实时在线监测；选用MAX232A多通道RS-232收发器中来实现DSP与上位计算机的串行通信，将DSP的SCIRXD和CSITXD连接到MAX232A的两个引脚，另外一端连接上位机。

电动机的相电流通过反馈电路转化为电压信号，输入到DSP的ADC模块的第0和第1通道，采样电阻选用0.5 Ω/2 W，中间连接TL084运算放大器。转速检测选用海登海因公司的ROD426脉冲编码器，其两路方波信号进入CHAN11、CHAN12，送到DSP的捕捉模块，计算出转速。

4 结 语

本文首先简要概括了步进电动机的历史背景和发展趋势，相比其他发达国家，我国步进电机发展较晚。现在混合式步进电动机应用最为广泛，因此控制好该电机对于位置和速度控制具有重要的意义。本文在混合步进式电动机结构和基本原理的基础上对其控制系统进行了详细的硬件设计。选用TI公司的TMS320LF2407A型号DSP为核心控制单元，驱动电路选用由 L298和L297组成的双极性恒流斩波电路，同时还对电源模块电路，转速和电流反馈电路LCD显示电路和DSP仿真器电路进行了设计，最终完成了该控制系统的硬件设计。

参考文献：

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