基于TMS320F2806的混合式步进电机伺服系统

陈志锦，孙洪兵，吴 航

(1.中国兵器工业第58 研究所 数控事业部，四川 绵阳 621000;2.云南昆明船舶电子设备有限公司，昆明 650236)

步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于步进电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其他电动机所没有的特性。因此，它仍然能根据市场的需求，沿着小型、高效、低价的方向发展。但是随着工业要求的提高，对步进电动机系统在稳定性、快速响应、宽运行范围等方面提出了更高要求。由于步进电机开环运行固有的缺点，闭环矢量控制是提高其控制性能的根本途径。矢量控制是现代电机高性能控制的理论基础，它可以实现对电机转矩的高效控制。在此从工程应用的角度出发，采用闭环矢量控制方法，设计了一种以TMS320F2806 芯片作为核心控制单元，结合电流、转速反馈电路的步进电机伺服系统。

1 系统总体设计

因为混合式步进电机具有凸极型永磁同步电机特性，故本控制系统采用常用的矢量控制策略对步进电机执行控制，如图1 所示。图中的坐标变换模块和SVPWM 利用来自编码器的位置信息，实现了对电机电压电流解耦，使步进电机的控制如同直流电机一样。由于混合式步进电机具有凸极特性，所以电流环的控制适用最大转矩/电流比控制。

图1 系统总体框图

根据混合式步进电机电磁转矩方程如式(1)所示控制d轴、q 轴电流，实现最大转矩/电流控制方式。

系统采用类似交流永磁同步电机的三环控制:其中速度环、电流环调节器都采用经典PI 控制器，位置环采用P 调节器。速度控制器的输出作为电流环的给定，确定了给定电流is后，由式(2)、(3)可以得到直、交轴电流的给定值id、iq。

经过电流控制器输出后直、交轴电流按照式(4)、(5)进行旋转坐标系到静止坐标系变换，此时输出的电流a、b 相需要输入的电流。

通过对两相电压的SVPWM 控制最后输出脉冲宽度不同的电压Ua、Ub到电机绕组。两相绕组的反馈电流ia、ib按照式(6)、(7)经过坐标变换得到直、交轴反馈电流id、iq，从而构成了电流闭环。

2 系统的硬件实现

如图2 所示，系统采用TMS320F2806 为主控芯片。主要包括DSP 处理器电路、功率驱动电路和电流/速度采样电路。

图2 硬件组成框图

DSP 处理器电路是系统的核心，用来完成系统所需要的所有计算，包括数字PID 程序、与上位机数据交换程序、矢量控制算法程序及PWM 信号产生程序等。

功率驱动电路主要包含两部分:驱动电路和功率主电路。驱动电路是将DSP 产生的PWM 信号转化为足以驱动开关管动作的信号。功率主电路就是一个逆变电路，将外部提供的直流电变换为驱动混合式步进电机的交流电。

电流/速度采样电路包含电流采样电路和速度采样电路。采样电路作用是将电机绕组中的电流和电机速度反馈到控制器作为控制算法的依据，实现系统的闭环控制。

3 系统的软件实现

系统软件主要由3 部分组成，即初始化程序、主程序、中断服务子程序。初始化程序主要完成系统寄存器设置，变量初始化的工作。主程序主要完成人机交互、系统自检以及与上位控制系统的信息交互等功能。定时器中断服务子程序是电机控制的核心程序，完成反馈量的采样、电流环的控制、矢量控制算法、SVPWM 算法，程序流程图如图3 所示。

图3 中断程序流程

4 实验及结果

系统实验采用步进电机为宝龙公司的24HS1421 -21B2两相混合式步进电机。图4 为采用闭环控制电机空载速度响应曲线，速度给定为1 000 r/min，升速时间小于30 ms。与图5 中开环系统的曲线对比，速度响应快。

图4 闭环系统空载速度响应曲线( 速度给定1 000 r/min)

图5 开环系统空载速度响应曲线( 速度给定1 000 r/min)

5 结束语

本文对混合式步进电机伺服系统的设计提供了一种技术方案，给出了实验结果。实验显示出，系统控制性能优于采用开环细分控制的步进系统，可稳定实现起停、正反转和无极调速等功能，可广泛应用于目前流行的各种缝制机械和高精度数控机床等。

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