步进电机控制系统的设计及应用

王彬

摘要：基于DSP的步进电机控制系统为闭环控制，采用光电编码器反馈检测信号和专用大功率驱动芯片THB6064H，不仅简化了系统的外围硬件结构，而且提高了系统的可靠性和抗干扰能力。因此，本文就基于DSP的步进电机控制系统进行探讨，重点介绍了其设计流程，并根据设计与应用中的实际问题进行了分析和提出具体措施，为DSP步进电机控制系统的进一步开发和应用提供了参考。

关键词：步进电机;闭环;DSP

前言

步进电机快速启动和步进精确，用于数控刀具的高速定位系统中，由于定位和速度控制要求高，主芯片为单芯片，在控制系统在系统稳定性和处理速度方面限制了系统的实时性和速度，采用东芝THB664H专用驱动芯片与DSP主控制芯片。

一、步进电机控制系统结构

1.DSP介绍

DSP是一种数字信号处理器，是一种微处理器，旨在实现各种数字信号处理算法。TI公司的TMS320F2812是本文选定的主控制芯片。此芯片结合了丰富的外围模块。芯片内是一个快速RAM，为增强的哈佛线结构，可以通过单独的总线并行使用多个内存。

2.系统的整体方案设计

DSP根据计算出的差异数据，驱动步进电机操作，向其发送位置脉冲和方向脉冲信号。通过电机位置的实时显示，进行整个系统的闭环控制，实现数字控制装置在刀具的快速、准确的监控和定位。在本文中，DSP控制系统通过控制两个56BYG250C两相步进电机来控制工具向X和Y方向的位移。

二、硬件与电路的设计

1.串口通信电路设计

串口通信模块的SCI接口使用两条导线的异步通信接口。系统DSP控制单元应与上位机通信进行数据传输，上位机的高低电平为±12V，DSP在0～3.3V之间，因此该电平转换是强制性的。该系统使用通用的MAX232电平转换芯片，在分压器进一步产生3.3V电压后，其输出电平直接连接到DSP引脚。

2.功率驱动电路设计

THB664H专用于驱动芯片，通过简单的外围电路可实现强大的多部分、高流量电路。内置过热保护和电源检测，带4位8档子区域控制（1/2、1/8、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64）。

HC-PL2530高速光电耦合器分离信号，不仅补充了控制信号电平的转换，实现了器件之间的高效绝缘，而且修改了控制信号，提高了系统的整体控制精度。在装配电路设计中，光电耦合隔离模块电源应分开，且设置独立电源。

3.查明风险和控制措施的实施

及时准确地识别系统容易出现问题的点，采取有效的控制措施，风险就可以避免。首先，结合具体情况，确定系统中的风险点。第二，为了制定针对已查明的风险点的措施，进行检查与排除。第三，在使用中，监控控制措施，确保每个风险点处于受控状态。四是在日常工作中对风险点实施动态监测，及时发现新的风险点，制定控制措施，及时消除问题，提高效率。

三、软件设计

1.步进电机的位置检测

步进电机是一种开环控制元件，可将脉冲信号转换为角或线位移。在不过载的情况下，步进电机驱动器接收脉冲信号，并在所需方向的固定角度控制步进电机。DSP2812事件管理模块的定时器和比较单元可用于生成两个电机所需的定位信号脉冲。

启用DSP事件管理器EV捕获单元的QEP模块后，由光电编码器产生的正交脉冲序列应作为事件管理器中计数寄存器的时钟源，且其应为相差四分之一。事件管理器的计数器寄存器以电量脉冲中每个跃点的脉冲电荷上升的顺序增加和减少目标的输入，该脉冲决定了步进电机的转向和电机旋转的角度。电机相对于初始位置的角度如下所示：

n为计数寄存器的当前值，n₁为计数寄存器的初始值，L为光电编码器线数。

2.控制系统主程序系统的设计

当系统开始工作时，首先进行初始化设置，然后与初始位置和预定位置之间的差异进行比较，根据位置差异估计步进电机的下一个时刻，并通过更改I/O端口电平来控制电机控制。电机脉冲n在操作过程中的计算公式为：

式中，△为初始位置与预定的差值，r为步进电机的步距角。

四、存在的一些问题

1.控制系统硬件故障

利用各种机械硬件和软件，可以有效保证控制系统的顺利运行。在控制系统的实际操作中，如果设备有缺陷、出现问题，则容易显示出异常。这些设备在给定的应用过程中，最常见的出现故障的软硬件组件就是采样率滤波和DSP故障，这些组件容易引起运行故障，使控制系统功能出现轻微的误动和拒动效果，进而影响其他设置的运行效果。

2.A/D采样中的滤波

系统对电流调整的精度决定了步进电机的运行功率，电源闭环控制应在A/D采样中进行，但在实践中缺乏控制系统是不可避免的，因此在电源的A/D采样回路中应采用相应的过滤措施来减少干扰。例如，在使用二阶低通滤波的当前硬件部分中，还必须使用滚动平均滤波方法和其他类似的过滤措施来设计软件，以进一步提高控制系统的性能。

3.运算中溢出问题的解决以及计算精度的提高

方案的计算应考虑到运算溢出。角度位移值和7FFFH應相与，以避免溢出。根据计算精度，程序使用32位乘法和加法。使用DSP2812硬件16x16乘法器，需要两个16位才能记录乘法结果，除了乘法结果外，还需要32位，计算后从32位计算结果中选择所需的16位。

4.日常技术维护措施

（1）各硬件部件的日常技术维护。保持电路通畅以及系统电压等正常，保持液压系统运行，保持各系统接合、工件正常。

（2）操作人员应进行良好的监测。系统运行后，操作员员应根据计算机的日常参数分析变化。分析后发现异常的，应当立即对异常问题进行连续监测，并根据变更进行必要的技术处理。同时，活动日志将详细存储整个执行过程中的所有数据。不断复盘与改进

结束语

根据分段电机运行原理和主要特性分析，设计了配备TMS320F2812芯片的步进硬件电路和操作软件，实现控制和力集成。在步进电机控制系统设计及应用过程中，系统保护各种设备正常运行，产生影响。而问题要想得到有效的控制，就要通过确保步进电机控制系统设计及应用的整体效果，加强设计与检查，利用系统优势和功能减少问题，有效减少步进电机控制系统设计及应用中的问题。步进电机控制系统是一个非常高效的技术装置，更要求设计与操作人员强调专业精神和长期经验。

参考文献：

[1]黄象珊.基于单片机控制的升降式焊接工作台的设计[J].职业技术，2020，19（04）：104-108.

[2]刘涛.满足多种电机控制的元器件解决方案[J].电子产品世界，2020，27（03）：15+33.

[3]NicoleNavinsky，方舟.工业和汽车用的电机控制动向[J].电子产品世界，2020，27（03）：8-9.