1 引言
步进电机是一种精确地数字控制执行机构，在各种精密加工，操作行业有着广泛的应用，随着工业应用的不断深入和相关技术的发展，人们对步进电机应用系统提出了越来越高的要求。步进电机由于其工作特性——受输入PWM信号的控制一步一步运行，所以步进电机在开环运行时存在低频振荡等问题。采用细分驱动技术设计驱动器，可以提高系统的分辨率以提高精度和防止步进电机低频振荡, 增加运行的平稳性。目前正处于高度发展阶段的嵌入式技术为达到上述要求提供了良好的技术平台，其中由美国TI公司生产的TMS320LF2407 DSP芯片对于本课题来说，是一种最理想的控制核心部件。
2 步进电机恒力矩均匀细分原理
步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使其在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，那么相应的磁场矢量幅值和方向也存在多个稳定的中间状态，从而实现步距角的细分。
细分的方法有多种，一般采用一相绕组电流恒定，另一相绕组电流成阶梯状通入，但这样会造成合成电流矢量幅值不断变化，电机运行不平稳。以两相混合式步进电机为例，图1为采用一般细分方法四细分通电时的电流矢量图。
图1 一般细分方法四细分电流矢量图
从图中可明显地看到，合成电流矢量幅值不断变化，最高时可达1.414倍。
本文采用了电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即分别给两相绕组通以正、余弦变化的电流，使合成的电流矢量恒幅均匀旋转，从而实现步进电机步距的均匀细分。以两相混合式步进电机为例，转子由A到B转过90o电角度，步进电机则转过一个步距角1.8o。细分时把90o电角度 n等分，那么相应的细分后的步距角为1.8o/n。
如果把两相电流按式
Ia=Imsinα (1)
Ib=Imcosα (2)
变化。其中Im为绕组额定电流，α为电机转过的角度且α= ， n为细分数，s为步数，这样电流矢量就可实现恒幅均匀旋转。
图2为采用恒力矩细分方法四细分通电时的电流矢量图。
图2 恒力矩均匀细分电流矢量图
3 系统的总体结构
系统的总体结构原理如图3所示
图3 系统总体框图
系统的控制器选择TMS320LF2407 DSP，由DSP的事件管理模块产生的两路PWM控制信号经驱动电路和功率放大电路之后与步进电机的两相绕组相连，实现步进电机的控制。步进电机的绕组接采样电阻，把电机绕组的电流信号转换为电压信号经过电流反馈电路处理接DSP的A/D转换模块，实现对绕组电流的实时检测，便于DSP的PWM脉宽调制程序在线实时的调整脉冲宽度实现均匀细分。这就是电流闭环瞬时电流跟踪控制策略的思想。
3.1 系统控制器DSP
TMS320LF2407 DSP芯片集成了PWM控制信号发生器，它可以通过调整事件管理器(EV)的定时器控制寄存器来设定PWM工作方式和频率，通过调整比较值来调整PWM占空比，通过调整死区控制寄存器来设定死区时间，通过专用的PWM 输出口输出占空比可调的带有死区PWM控制信号，通过软件实现名副其实的全数字控制。从而省去了其他控制器所用的外围PWM波发生电路和时间延迟(死区)电路。因此使用DSP控制直流电动机可以获得高性能和低成本。
3.2主电路的驱动电路
步进电机的主电路采用MOSFET搭建，采用H型桥式逆变结构。图中选用N沟道增强型MOS管IRFP250， MOSFET的驱动选择IR2110。IR2110是美国国际整流器公司(IR公司)生产的高压，高速的功率MOSFET，IGBT专用驱动芯片，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。
硬件连接图如图(4)所示
图4 步进电机A相绕组驱动电路图
在上图中IR2110(1)和IR2110(2)两个芯片的两个HIN和LIN分别输入的是步进电机的控制信号，即PWM信号。因为根据H桥双极性驱动电路的特点，MOSFET管V1、V4和V2、V3它们的开关顺序在逻辑上是相反的。所以可以在HIN和LIN端接“非”门74LS14构成逻辑“反”。这样不仅可以减少电路的设计难度，而且可以大大减少DSP的PWM输出，易于编程，提高了运算速度。
图中VD1和VD4是自举二极管。C3和c8是电源vcc的滤波电容。为了防止MOSFET器件关断时，集电极发射极之间的瞬时电流过高，导致功率MOSFET误导通，造成灾难性后果，所以采用栅极副偏置电路来保护电路。高压侧的副偏置由C2，VD2和R3来构成。R3=100kΩ，c2=100nf。低压侧由VCC，R4,C4,VD3来构成，R4=2kΩ，c4=100uf。VD2和VD3选择4.7v的稳压二极管，构成的副偏置电压为-4.7V。第二片IR2110的选择类似。
3.3电流反馈电路
电流的反馈采用0.25 Ω的精密采样电阻将电流转换成电压，经电容滤波和放大处理后直接进入2407 DSP的A/D输入通道进行A/D转换，转换后的电流数值在程序中进行数据处理后调节DSP发出的PWM 信号的占空比，从而调节电流的大小，实现电流的闭环控制。以A相为例，其电流采样。电路如图5所示。
图5 电流反馈电路图
4 PWM均匀细分的软件实现
对于控制芯片TMS320LF2407 DSP 其EV模块输出的PWM 信号的周期和占空比取决于EV模块周期寄存器和比较寄存器的值，PWM周期寄存器的值不变，改变比较寄存器的值就可改变占空比。为了减小DSP的运算量，提高程序执行速度，根据电路参数、电机参数和细分数，以5O%为基准，占空比按正弦规律(r=50%+sin(sπ/4N)，(S为所走微步数，N为细分数)离线计算每走一微步的电流所对应的占空比，再将占空比根据公式 转化为DSP比较比寄存器的值然后制成表格，储存在DSP的存储单元里。程序通过查表来给定电机绕组电流。
程序的实现通过周期中断的方式来实现。程序流程图如图6
图6 PWM均匀细分DSP程序流程图
5 实验分析
本系统的应用背景是卷烟吸阻测量仪的烟仓驱动电机的驱动。课题要求步进电机的旋转的步距角误差≤0.025o。我们选用的是42BYG250A两相混合式步进电动机，其基本参数是：步距角1.8°;相电流1.5A;保持转矩 0.23Nm ;转动惯量 38gcm2;我们以PWM16细分为例来测试系统，我们利用单步响应法测量出步进电机的单步响应步距角，并且得到实测曲线。16细分时步进电机的理论步距角按公式 来计算，N为细分数，Z为电机转子齿数，得理论步距角为0.1125o。由数据表并参照实测曲线可得出(θb)max=0.1231o,(θb)min=0.1022o，所以最大步距角误差为+0.0106o和-0.0103。测试结果符合控制要求。
6 结语
以TMS320LF2407 DSP为控制器的步进电机恒转矩PWM细分驱动系统提高了细分精度和电机运行平稳性。但是由于混合式步进电机的结构特点，电机绕组电流与合成磁场间存在非线性，合成的磁场矢量不能跟随电流矢量旋转，按照理想细分电流模型得到的细分步距角存在误差。所以要想获得更高的精度，可以根据实际电机参数在调试中用实验法和最小二乘法相结合的方法对PWM占空比进行修正，使绕组电流矢量尽可能恒幅均匀旋转，以达到更高的精度。
参考文献
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