步进电机

步进电机控制系统的设计

班级：自动化102 学号：201010232059 姓名：赵栌璐

前言：

步进电机又称脉冲电动机，由于其具有易于精确地控制机械的移动量的优点，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型。步进电动机在办公自动化、工厂自动化和计算机外部设备等领域中广泛地使用。而数字信号处理器( DSP) 由于具有高性能和灵活可编程的优点而得到广泛的应用。DSP 由于具有数据和地址总线分离的哈佛结构和专用的指令集, 所以其数值运算能力强大。在工业自动化领域中，电动机控制是特别重要的一部分，电动机控制产品在工业控制领域需要的越来越大，而微处理器在电动机控制领域中用途也是越来越广泛。然而，基于单片机的传统的控制策略不能满足需要的原因，也正是增加的处理数据量对实时性要求的提高。随着数字信号处理器(DSP)的迅速发展及性价比的不断提高,数字信号处理器应用于电动机控制领域已经成为一种趋势。

美国堡定电气公司是专业生产交、直流微特电机, 低速电机是附属产品, 其规格及机座号和超电公司相似, 近年来已开发供三相电源使用的电机。

研究的原理：

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 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、混合式步进电机和单相式步进电机等。步进电机在这个实验中选择的是M35SP-7N，其步进角为7.5度，是一种单极性的步进电机。

步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

本次实验利用脉宽PMW技术对步进电机进行调速传统的步进电机所需的数字式电脉冲信号(即方波控制信号），一般都是借助数字逻辑电路产生。随着嵌入式技术的不断发展，单片机的应用更为广泛，脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法．通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码．PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)．电压或电流源是以一种通(0N)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候．PMW信号其占空比就是脉冲中高电平与低电平的宽度比．因此可以将脉冲的占空比变成电压．通过调整占空比来调整输出模拟电压．PWM方式是直流电机工作的一种常用方式．PWM技术指通过改变矩形脉冲的占空比，以得到不同的平均直流电压去驱动电机因而对步进电机的角位移速度的控制可以通

过调整脉宽调制信号来控制．不同的占空比可以控制电机不同的转速。

步进电机组成系统的工作原理是: 上位机通过RS232C串口向以TMS320F2812 DSP为核心的控制模块发送控制指令和参数，DSP经过片内运算处理后，把接收到的指令和参数转化为步进电机的执行指令 DSP控制通用输入/输出多路复用器GPIO输出特定时序的脉冲信号，该脉冲信号经过电机驱动芯片功率放大后，就能驱动步进电机执行相应的动作 步进电机运动时，增量式光电编码器产生的两路正交编码脉冲信号，经过电平转换后，由DSP进行运算和分析，可以得到步进电机运动的位移和速度信息，与上位机发送的指令和参数做比较后，调整步进电机当前执行的动作。

图表 1主程序流程图 图表 2 中断子程序

TMS320F2812是一款用于控制的高性能多功能高性价比的32位定DSP芯片，最高可在150MHz主频下工作，并带有18K×16位0等待周期片上ARAM和128K×16位片上FLASH( 存取时间36ns)，TMS320F2812采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可进行双16×16位乘加和32×32位乘加操作，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能TMS320F2812的片上外设主要包括2×8路12位ADC( 最快80ns转换时间) 2路SCI 1路SPI 1路eCAN等，并带有两个事件管理模块，分别包括6路PWM/CMP 2路QEP 3路CAP2路16位定时器。另外，该器件还有3个独立的32位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚，可外扩大于1M×16位程序和数据存储器系统的设计中使用了TMS320F2812的SCIA事件管理模块EVAGPIO模块。

在步进电机为四相四拍时，其正转顺序为A->B->C->D->A，其反转的顺序为A->D->C->B->A。 通过修改EVA的定时器T1PWM_T1CMP的周期以及PWM的比较功能调整步进电机的运行方向与状态。在步进电机为四相四拍时，其正确顺去为A-B-C-D-A,在控制器CNTL[3：0]的输出依次为：0x8-0x4-0x2-0x1.其反转的顺序为A-D-C-B-A,在控制器中CNTL[3:0]的输出依次为：0x8-0x1-0x2-0x4.通过采用TMS320F2812芯片中的事件管理器来实现对四个引脚控制端输出的控制，事件管理器（EV）为永和提供了强大的控制功能，尤其在运动控制和电机控制领域。F2812提供了两个具有相同结构和功能的事件管理器模块EVA和EVB，可用于多电机的控制，每个事件管理器模块都包含通用定时器、全比较/PWM单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路等部分，可以通过一个三项逆变桥来满足功率管的互补控制，同事也可以提供两个非互补的PWM信号。

图表3 实际加减速曲线

对步进电机进行必要的调速是实际应用中一个必须解决的问题。在非超载的情况下，步进

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无积累等特点。通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角以改变电机的转速，从而实现对步进电机的调速。

原理的应用仿真：

步进电机的驱动电路如下图1：

步进电机在这个实验中选择的是M35SP-7N，其步进角为7.5°，是一种单极性的步进电机，它的结构如下图2所示：

实际使用时，公共端1与2是短接在一起作为电源输入，一共五个抽头，控制每个绕组的两个抽头来实现对步进电机的控制。

步进电机的控制一般分为四项四拍与四项八拍两种方式，其中前者称为全部，后者称为半步。

在设计时，我们用EVA的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4四个引脚作为步进电机的控制接口。它们分别为不进电机四相的控制端。按一定的频率循环置高电平即可使步进电机转动，引脚与步进电机的线圈对应关系如下图3所示：

程序中最主要的部分为stepmotor.c和DSP28_EV.c.

stepmotor.c为实验主程序，执行系统初始化，步进电机控制，机调速等功能。

DSP28_EV.c控制了事件管理器的初始化，我们通过设置其中定时器1的周期以及PWM的比较功能调整电机运行方向与状态。

当周期EvaRegs.T1PR越小，与之比较所产生的占空比也变小，同时电脉冲信号的频率变快。我们主要通过设定周期来控制电机的转速。而通过射定PWM的比比较功能（即程序中的EvaRegs.CMPR1=0x0c00;EvaRegs.CMPR =0xf000）两项，即可控制电机的转动方向。

结论：

本实验根据步进电机原理及DSP控制方法, 进行了步进电机控制系统的硬件和软件设计对于步进电机脉冲分配, 对步进电机的位置控制、步进电机的加减速控制。这个运动控制系统具有以下特点 : 系统选用器件少,硬件结构简单。整个控制系统稳定、可靠。DSP的中断处理速度高, 计算速度快, DSP作为嵌入式微处理器对步进电机进行控制。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。步进电动机在办公自动化、工厂自动化和计算机外部设备等领域中广泛地使用。步进电机也可应用于地震旋转振动台模型中，由于它独特的工作方式，可以对步进电机实现角位移控制，通过电机运动产生的角位移分量模拟地震时对高层建筑物的扭转分量，模拟地震对建筑物的破坏程度，对地震旋转振动台的模型进行初步探究。对于解决地震预报的问题有着重要的作用。

参考文献：

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