基于數(shù)字信號(hào)處理器的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了藎于數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用閉環(huán)控川，并采用CPLD簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)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(shí)對(duì)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(hào)處理器；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)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(duì)被控機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)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(lái)越高。目前實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(guò)一些中、大規(guī)模集成電路，如8253、8254等來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，從而實(shí)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(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并且在某些控剮場(chǎng)合，系統(tǒng)的程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制性的一個(gè)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(jì)了步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)選用器件少，在實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
2．1 DSP性能
DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)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(zhuān)用的硬件乘法器等。DSP集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及一些特殊指令使得大部分DSP操作在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，通常DSP芯片均具有一些主要特點(diǎn)：
(1)程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以川時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。
(2)片內(nèi)具有快速RAM，通�？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)。
(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(gè)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(diǎn)，而且同工業(yè)自動(dòng)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(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。
2．2步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用及其難點(diǎn)
目前研制的基于DSP的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用于中凸變橢圓活塞裙部時(shí)的車(chē)削加工系統(tǒng)。在此車(chē)削加工系統(tǒng)中，刀具的進(jìn)給是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)靠模來(lái)驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)車(chē)削加工活塞裙部的橢圓截面并保證活塞銷(xiāo)孔軸線方向?yàn)闄E圓短軸方向，在加工過(guò)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(shí)保持嚴(yán)格的相位對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，該車(chē)削加工系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是控制驅(qū)動(dòng)刀具的步進(jìn)電機(jī)與主軸同步運(yùn)行。該車(chē)削加工系統(tǒng)的系統(tǒng)控制框圖見(jiàn)圖1。
 整個(gè)控制系統(tǒng)以主軸的位置信號(hào)作為輸入控制信號(hào)，通過(guò)安裝在主軸、步進(jìn)電機(jī)的光電脈沖發(fā)生器測(cè)出相應(yīng)的位置、速度值，分別通過(guò)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(hào)發(fā)生脈沖序列驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(dòng)機(jī)，按三相6拍方式運(yùn)行，其步距角為0．75 o，同時(shí)采用1 000脈沖／圈的增量式光電脈沖發(fā)生器檢測(cè)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(duì)主軸和步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)的采樣點(diǎn)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(yùn)行，對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)，步進(jìn)電機(jī)在脈沖轉(zhuǎn)換時(shí)很容易引起失步，從而使得步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的精度和可靠性，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，就必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)控制防 |
