基于TMS320LF2407 DSP的直线步进电机恒转矩PWM细分驱动系统的研究

　　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。