王棟　張?zhí)K新

摘 要：步進電動機已有70年的發(fā)展歷史，在開環(huán)高分辨率的定位控制占有主導(dǎo)地位，其最大優(yōu)勢是無累積誤差，因此用在速度、位置等控制領(lǐng)域變得簡單和經(jīng)濟。由于混合式步進電動機集成了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，應(yīng)用極為廣泛，文章主要針對混合式步進電機伺服系統(tǒng)進行硬件設(shè)計。首先對步進電動機在國外和我國的歷史發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行了分析，接著闡述了兩相混合式步進電動機的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，并在此基礎(chǔ)上，對混合式步進電動機伺服系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計，主控器選用TI公司的TMS320LF2407A型號DSP，配以由L298和L297組成的雙極性恒流斬波驅(qū)動電路，電源模塊選用TPSS7333QD芯片，選用ROD426脈沖編碼器測量電機轉(zhuǎn)速，還包括電流采用電路、LCD顯示和DSP仿真器等，最終完成了該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：混合式步進電動機；TMS320LF2407A；硬件設(shè)計

中圖分類號：TM383.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0011-02

1 背景概述

步進電機是機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，步進電動機的雛形源于1830～1860年間，其原理是基于電磁鐵的作用，其后主要應(yīng)用于氬弧等的電極輸送機構(gòu)控制中，而最早發(fā)明步進電動機的是英國人。1960年，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進電機相繼出現(xiàn)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得步進電動機在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如晶體管應(yīng)用，使得通過數(shù)字化對步進電動機進行控制變得更為容易。

隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是應(yīng)用于高定位精度、高響應(yīng)性和依賴性等靈活控制的機電系統(tǒng)中，其已經(jīng)可以與直流電動機和交流電動機相提并論，屬于第三類電動機。

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移信號，可以簡單定義為每次輸入一個電脈沖，就旋轉(zhuǎn)一個步距角，不輸入則不旋轉(zhuǎn)。從廣義上講，步進電機可以看作是無刷直流電機，同樣也可看作一定頻率范圍內(nèi)的同步電機。我國步進的起步階段始于20世紀(jì)50年代后期，當(dāng)時主要是一些高等院校和科研機構(gòu)研究開發(fā)一些裝置，以反應(yīng)式步進電機為主。70年代后期，隨著微型計算機和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，步進電動機驅(qū)動器和步進電機的生產(chǎn)有了長足的進步。到80年代中期，通過大量的實驗室研究，使得步進電動機的精確度得到提高，因此各種混合式步進電機及其驅(qū)動器得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在正在沿著小型化、改圓形電機為方形電機、對電動機進行綜合設(shè)計和向五相和三相電動機方向發(fā)展。

步進電動機的分類有很多種，按照轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作方式可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式；按照輸出扭矩可以分為快速步進和功率步進電動機；按照勵磁組數(shù)可以分為兩相、三相和四相等；按照電流級數(shù)可以分為單極性和雙極性；按運動方式，可以分為旋轉(zhuǎn)、直線和平面。

本文選用的是混合式步進電動機，運用TI公司的TMS320

LF2407芯片作為核心控制器，驅(qū)動電路采用L298雙H橋驅(qū)動器和L293步進電動機恒流斬波驅(qū)動器，電源模塊采用TPS7333QD芯片，采用JTAG和XDS510EPP仿真器接口進行程序下載和在線監(jiān)視。最終完成了硬件電路的設(shè)計。

2 混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)

混合式步進電動機又稱為永磁感應(yīng)式步進電動機，是在反應(yīng)式和永磁式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它結(jié)合了兩者的優(yōu)點，其輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，細密的極齒可以減小步距角，效率高，功耗小。市場上應(yīng)用最多的是兩相混合式步進電動機，市場占有率達到97%，其步距角為1.8 ？觷，采用細分驅(qū)動器后可以細分256倍。其結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上有八個繞有線圈的鐵芯磁極，八個線圈串接成A、B兩相繞組，每個定子磁極邊緣有多個小齒，一般多為五或六齒。轉(zhuǎn)子主要環(huán)形磁鋼、兩端鐵芯、軸和軸承組成，兩端鐵芯的外圓上有均勻分布的齒槽，齒槽相差1/2齒距。環(huán)形磁鋼沿軸向充磁，兩端轉(zhuǎn)子鐵芯兩端分別成N、S極，稱為N段轉(zhuǎn)子和S段轉(zhuǎn)子。

2.2 工作原理

混合式步進電機的運動是通過氣隙中兩種磁動勢的共同作用，永磁體產(chǎn)生的磁動勢和繞組電流產(chǎn)生的磁動勢。定子上有四個線圈的磁極，相對磁極的線圈串聯(lián)，組成兩相繞組，由于同一相繞組兩個線圈繞組的方向相反，通過同一電流時產(chǎn)生的磁場方向也相反，這樣導(dǎo)致電流反向流過繞組所產(chǎn)生的磁場也相反。當(dāng)繞組不通電時，氣隙中只有永磁體產(chǎn)生的電動勢，其方向為軸向，此時電動機無電磁轉(zhuǎn)矩，其電動勢磁通會沿磁阻最小的路徑通過，即從N極返回到S極，同時當(dāng)外力促使軸轉(zhuǎn)動時，由于轉(zhuǎn)子磁場的吸引作用，會有一個反向的阻轉(zhuǎn)矩，稱為自鎖力矩。當(dāng)繞組通電時，繞組電流產(chǎn)生的電動勢就會與原電動勢相互作用，使得電動機旋轉(zhuǎn)，通電方式有單拍和雙拍運行方式。

3 混合式步進電動機伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計

混合式步進電動機伺服系統(tǒng)的硬件主要由TMS320LF2407A核心控制器、步進驅(qū)動器及其步進電機、光電編碼器、電流和轉(zhuǎn)速反饋電路、LCD顯示、電源模塊和DSP仿真器組成。其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，TMS320LF2407A控制器是由美國TI公司生產(chǎn)的16位定點型DSP，專門用于數(shù)字電動機的控制，其引腳共有144個，主要由內(nèi)核CPU、存儲器、片內(nèi)外設(shè)三個功能模塊。CPU包括定標(biāo)移位器、乘法器、累加器、運算邏輯單元；片內(nèi)存儲器主要包括2.5 kbit/s的RAM和32 kbit/s的EEPROM。片內(nèi)外設(shè)主要包括事件管理器A和B、數(shù)字I/O、10位的A/D模塊、CAN總線、SCI、SPI串行模塊等。DSP的外圍電路設(shè)計主要包括：PLL濾波器輸入電路、外部晶振電路、A/D模塊基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、工作電壓指示電路和各種跳線電路等。

驅(qū)動電路采用L298和L297組成的雙極性恒流斬波驅(qū)動電路。L298雙H橋驅(qū)動器內(nèi)部由兩組完全相同的全橋電路組成，每個全橋電路由4個MOSFET組成，最大開關(guān)頻率可以達到40 kHz，能夠驅(qū)動電感性負(fù)載，可承受的最大電壓、電流為46 V和2.5 A。L297步進電動機恒流斬波驅(qū)動器是由ST公司生產(chǎn)的，主要應(yīng)用于雙極性兩相步進電動機，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括用于脈沖分配的譯碼器、用于檢測電流采樣值和參考電壓值的斬波器、用于綜合譯碼器與斬波器的輸出邏輯電路組成。

本系統(tǒng)存在數(shù)字電路和模擬電路，為了保持較好的隔離，同時保證A/D轉(zhuǎn)換精度及其抗干擾能力，本文選用芯片TPSS7333QD作為DSP和外擴RAM的電源，該芯片能夠提供穩(wěn)定的3.3 V和5 V電壓。由于在電路中存在+5 V和VCC兩種不同的數(shù)字電源，需要將TTL電平轉(zhuǎn)化為CMOS電平，本文選用飛利浦半導(dǎo)體公司的電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245A，保證了電平之間的邏輯一致。

接口電路主要實現(xiàn)程序下載和通信功能。本文選用XDS5

10EPP仿真器通過引線與JTAG接口的8個引腳連接，用于DSP的編程下載及其實時在線監(jiān)測；選用MAX232A多通道RS-232收發(fā)器中來實現(xiàn)DSP與上位計算機的串行通信，將DSP的SCIRXD和CSITXD連接到MAX232A的兩個引腳，另外一端連接上位機。

電動機的相電流通過反饋電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，輸入到DSP的ADC模塊的第0和第1通道，采樣電阻選用0.5 Ω/2 W，中間連接TL084運算放大器。轉(zhuǎn)速檢測選用海登海因公司的ROD426脈沖編碼器，其兩路方波信號進入CHAN11、CHAN12，送到DSP的捕捉模塊，計算出轉(zhuǎn)速。

4 結(jié) 語

本文首先簡要概括了步進電動機的歷史背景和發(fā)展趨勢，相比其他發(fā)達國家，我國步進電機發(fā)展較晚。現(xiàn)在混合式步進電動機應(yīng)用最為廣泛，因此控制好該電機對于位置和速度控制具有重要的意義。本文在混合步進式電動機結(jié)構(gòu)和基本原理的基礎(chǔ)上對其控制系統(tǒng)進行了詳細的硬件設(shè)計。選用TI公司的TMS320LF2407A型號DSP為核心控制單元，驅(qū)動電路選用由 L298和L297組成的雙極性恒流斬波電路，同時還對電源模塊電路，轉(zhuǎn)速和電流反饋電路LCD顯示電路和DSP仿真器電路進行了設(shè)計，最終完成了該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

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