基于數(shù)字信號處理器的步進(jìn)電機(jī)運動控制
李 峻．李學(xué)全．胡德金
(上海交通人學(xué)，上海 200030)
摘 要：介紹有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的伺服運動控制，設(shè)計了藎于數(shù)字信號處理器的運動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用閉環(huán)控川，并采用CPLD簡化硬件結(jié)構(gòu)，提高整個系統(tǒng)的控制精度、品質(zhì)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靶性。同時對步進(jìn)電機(jī)的變速控制也作了一定的分折。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；步進(jìn)電動機(jī)；運動控制；伺服系統(tǒng)
1 引 言
步進(jìn)電機(jī)作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，因此在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動化儀表等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，特別是微機(jī)技術(shù)應(yīng)用、新型控制策略的出現(xiàn)，人們對被控機(jī)械運動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制的要求越來越高。目前實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制采用比較多的一種方案是以8031、8098等微處理器作為控制系統(tǒng)的CPU，通過一些中、大規(guī)模集成電路，如8253、8254等來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位。但在這種方案中，微處理器所需的周邊器件較多，這往往會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并且在某些控剮場合，系統(tǒng)的程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實時控制性的一個瓶頸。
本文作者采用DSP(Digital Signal Processor)作為系統(tǒng)控制微處理器，并結(jié)合CPLD(Complex PrograrnmabIe Logic Device)，設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字運動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)選用器件少，在實時性和靈活性等性能上都有很大的提高，極利于步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。
2 DSP在步進(jìn)電機(jī)的運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
2．1 DSP性能
DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器。DSP工芯片一般均采用特殊的軟、埂件結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)包括哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線指令結(jié)構(gòu)以及一些專用的硬件乘法器等。DSP集成電路的優(yōu)化設(shè)計以及一些特殊指令使得大部分DSP操作在一個指令周期內(nèi)完成，通常DSP芯片均具有一些主要特點：
(1)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以川時訪問指令和數(shù)據(jù)。
(2)片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。
(3)快速的中斷處理和硬件I／O支持。
(4)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。
(5)支持流水線操怍，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
DSP芯片作為軟件可編程器件，具有通用微處理器方便靈活的特點，而且同工業(yè)自動化控制中常用的8位或16位單片機(jī)相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。
2．2步進(jìn)電機(jī)運動控制的應(yīng)用及其難點
目前研制的基于DSP的步進(jìn)電機(jī)的運動控制系統(tǒng)，用于中凸變橢圓活塞裙部時的車削加工系統(tǒng)。在此車削加工系統(tǒng)中，刀具的進(jìn)給是通過步進(jìn)電機(jī)帶動靠模來驅(qū)動，為實現(xiàn)車削加工活塞裙部的橢圓截面并保證活塞銷孔軸線方向為橢圓短軸方向，在加工過程中刀具的進(jìn)給頻率必須保證為工件的回轉(zhuǎn)頻率的2倍，同時保持嚴(yán)格的相位對應(yīng)關(guān)系。因此，該車削加工系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題就是控制驅(qū)動刀具的步進(jìn)電機(jī)與主軸同步運行。該車削加工系統(tǒng)的系統(tǒng)控制框圖見圖1。
 整個控制系統(tǒng)以主軸的位置信號作為輸入控制信號，通過安裝在主軸、步進(jìn)電機(jī)的光電脈沖發(fā)生器測出相應(yīng)的位置、速度值，分別通過位置環(huán)和速度環(huán)反饋到控制單元。由控制單元根據(jù)反饋信號發(fā)生脈沖序列驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，使之按照設(shè)定的比例關(guān)系同與機(jī)床主軸同步運行，并保持在一定寬范圍內(nèi)進(jìn)行比例可調(diào)。該控制系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，按三相6拍方式運行，其步距角為0．75 o，同時采用1 000脈沖／圈的增量式光電脈沖發(fā)生器檢測主軸和步進(jìn)電機(jī)的相位位置，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=1 500r／min，若對主軸和步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)的采樣點m=1 000，則要求的采樣周期T=60/mn=40μs，因此為保證步進(jìn)電機(jī)能夠同步跟蹤主軸的運行，對控制系統(tǒng)的實時處理速度有較高的要求。另外，由于步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性較軟，電磁轉(zhuǎn)矩丁隨輸入控制脈沖頻率的增加而減小，在速度較高或加速度較大時，步進(jìn)電機(jī)在脈沖轉(zhuǎn)換時很容易引起失步，從而使得步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)性能變差，影響到電機(jī)的跟蹤精度。為了提高步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的精度和可靠性，在電機(jī)運行過程中，就必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\動控制防 |
