摘要：在傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以單片機(jī)或DSP為核心的基礎(chǔ)上，提出一種基于ARM微控制器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，以ARM7微控制器LPC2478為CPU，uC／OSⅡ?yàn)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的電流跟蹤型三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，人機(jī)界面良好，有效地抑制了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，提高了運(yùn)行平穩(wěn)性。
關(guān)鍵詞：三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；ARM處理器；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；正弦脈寬調(diào)制
中圖分類號(hào)：TM383．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018f2009110—0056—04
0引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種脈沖型執(zhí)行器件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行由專門的控制器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器的性能直接
影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。
本文選用NXP公司的ARM7TDMI內(nèi)核控制器LPC2478為CPU，并移植了bC／OS lI操作系統(tǒng)。
利用正弦波細(xì)分控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，并有效改善了它的低頻運(yùn)行特性。在工控領(lǐng)域中，這種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，如用于激光加工、自動(dòng)焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)
1正弦脈寬調(diào)制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理概述
細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本原理是將繞組中給定的電流細(xì)分，由按一定階梯順序變化的階梯波供電取代常規(guī)
的矩形波供電方式，實(shí)現(xiàn)電流的分段變化，從而將每一自然步進(jìn)行細(xì)分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅減少了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，也為電機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)優(yōu)點(diǎn)。因細(xì)分后減少了一次驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度，使轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時(shí)的過(guò)剩能量減少，可降低電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，提高運(yùn)行平穩(wěn)性。
細(xì)分驅(qū)動(dòng)****的控制方式是在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，各相繞組的合成磁勢(shì)矢量在空間
做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這就要求在各相繞相中通以正弦電流。
以三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，三相繞組A、B與C在空間位置上相差三分之二π給三相繞組分別通以相位相差三分之二π的正弦波電流。設(shè)三相繞組電流分別為：
則定子合成的磁動(dòng)勢(shì)(以F。為參考)為：
可以看出，三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其實(shí)就是一個(gè)步進(jìn)運(yùn)行的永磁同步電動(dòng)機(jī)。定子合成磁動(dòng)勢(shì)是
一個(gè)步進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。當(dāng)通以三相連續(xù)的正弦電流，合成的磁動(dòng)勢(shì)將保持幅值不變，連續(xù)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分
本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。用一系列幅值相同而占空比按正弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào)，
即sPwM波模擬正弦波，通過(guò)對(duì)高速M(fèi)0s管導(dǎo)通和關(guān)斷的控制來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，從而控制電機(jī)相繞組中平均電流的大小實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。
2選用A】ElM7的優(yōu)勢(shì)
常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備多采用8位單片機(jī)或DsP為cPu。單片機(jī)價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。但存
在存儲(chǔ)容量小、運(yùn)算速度慢、實(shí)時(shí)性弱、人機(jī)交互開發(fā)復(fù)雜等問(wèn)題�；�32位ARM內(nèi)核的微控制器采用RISC：架構(gòu)、三級(jí)流水線、FLL倍頻等先進(jìn)技術(shù)、其性能是Mcu所無(wú)法比擬的。DsP芯片多應(yīng)用于有復(fù)雜算法的場(chǎng)合，但存在操作系統(tǒng)單一、用戶界面開發(fā)難度較大、可移植性較差等弱點(diǎn)。與之相比，ARM具有較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，易于移植各種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已成為工控領(lǐng)域的主流設(shè)計(jì)方案。
經(jīng)比較，本文選擇了NxP公司的LP2478作為cPu，該芯片在設(shè)計(jì)中具有如下優(yōu)勢(shì)：
(1)運(yùn)算速度快：LPc2478芯片基于ARM7TDMI內(nèi)核，90％的指令都是單時(shí)鐘周期指令。
(2)開發(fā)界面友好：采用一體化集成開發(fā)環(huán)境IAR—Embedded workbench，開發(fā)環(huán)境友好，可通過(guò)J—LINK進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)試。
(3)易于移植操作系統(tǒng)：較DsP，ARM更易移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。
(4)可開發(fā)人機(jī)界面：ARM處理器便于開發(fā)人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)改進(jìn)了常用驅(qū)動(dòng)器不帶人機(jī)界
面的現(xiàn)狀。利用Lf】c2478芯片內(nèi)部自帶LcD控制器，軟件上發(fā)揮多任務(wù)調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，提供了r觸摸屏操作，構(gòu)成良好的人機(jī)界面。
3硬件設(shè)計(jì)
3 1系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由控制面板、ARM主控、11／A轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制、隔離、柵極驅(qū)動(dòng)、功放、電流反饋和保護(hù)電路組成�？刂泼姘遄鳛槿藱C(jī)交互界面與ARM進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作的觸發(fā)和監(jiān)控功能；ARM產(chǎn)生控制脈沖和D／A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信號(hào)；由D／A轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)后經(jīng)脈寬調(diào)制成sPwM脈沖信號(hào)，通過(guò)專用芯片控制功放部分MOsFET管的通斷，功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載。由電流監(jiān)測(cè)芯片實(shí)時(shí)采樣繞組中的電流信號(hào)形成閉環(huán)。系統(tǒng)框圖如圖l所示。
3．2系統(tǒng)主要硬件描述
(1)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路
IfPc2478作為系統(tǒng)的主控單元，它接收外界的控制信號(hào)，包括細(xì)分檔位、運(yùn)行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)和起停等，然后輸出存儲(chǔ)器中相應(yīng)的電流控制信號(hào)，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。本系統(tǒng)選用DAc7644(高速高精度四通道16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)牛三路高分辨率的正弦波信號(hào)，和有32位I／0總線寬度的ARM配合使用，提高_(dá)r輸出正弦波的轉(zhuǎn)換速度和精度。同時(shí)系統(tǒng)為DAc7644外接了基準(zhǔn)源和跟隨器。
(2)PwM斬波恒流控制電路
脈寬調(diào)制電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。D／A轉(zhuǎn)換值輸入到sG3525內(nèi)部誤差放大器同相輸入端，
繞組電流反饋信號(hào)輸入到反相輸入端，經(jīng)內(nèi)部的誤差放大器、比較器及PwM鎖存電路，sG：3525將輸出兩路互補(bǔ)的單極性PwM信號(hào)。若反相輸入端輸入的反饋信號(hào)變大則輸出的占宅比變小，繞組的通電時(shí)間縮短，繞組電流減��；反之，繞組電流將增大。這樣使繞組電流在一個(gè)恒定的電流值附近波動(dòng)，不會(huì)變化太大，實(shí)現(xiàn)了斬波恒流控制。
(3)功率與采樣電路
系統(tǒng)采用三相全橋逆變電路，如圖2所示。由六只高頻功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF540搭成。本設(shè)計(jì)中產(chǎn)
生的sPwM信號(hào)經(jīng)6N137光耦隔離后，通過(guò)具有自舉功能的MOsFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的上通道送入逆變橋的上橋臂，進(jìn)行下橋?qū)�、上橋斬波的工作過(guò)程。
系統(tǒng)在功率橋的下端與地之間串聯(lián)一個(gè)100mn電阻，采樣得到的模擬電壓，進(jìn)入電流采樣芯片
MAx408l。在隔離側(cè)的另一邊得到一個(gè)增益和偏置可調(diào)的輸出電壓。這個(gè)輸出電壓與電機(jī)電流成正
比，作為反饋被送人sG3525誤差放大器的同相輸入端，實(shí)現(xiàn)斬波恒流的電流跟蹤型PwM控制功能。
(4)保護(hù)電路
為r避免電機(jī)運(yùn)行時(shí)總功率超過(guò)預(yù)定的門限值，系統(tǒng)對(duì)主回路電流進(jìn)行了采樣，電流取樣電阻
R1=0.1 Ω：參考電平uref可通過(guò)Rref調(diào)節(jié)。當(dāng)逆變器總電流尖峰值超過(guò)Imax時(shí)比較器的輸出為低電平，送到sG3525的保護(hù)引腳，封鎖PwM輸出。電機(jī)停止工作，系統(tǒng)受到保護(hù)。
(5)LCD控制電路
LPc2478內(nèi)部集成了LcD控制器，可以提供直接連接多種類型LcD面板接口所必需的信號(hào)，使用
方便。本系統(tǒng)中，選用sHARP公司的LQ03113【)X02觸摸屏與LPc2478的I／O口相連，即可實(shí)現(xiàn)硬件連接。
4軟件設(shè)計(jì)
4 1μC／OsⅡ操作系統(tǒng)
系統(tǒng)采用μc／0s一Ⅱ操作系統(tǒng)。移植主要完成的工作是修改與處理器相關(guān)的三個(gè)文件(Os—cPu．H，Os-cPu—AsM.s，Os—cPu c．c)，只需編寫少量代碼即可完成系統(tǒng)的移植。
系統(tǒng)LcD顯示由μc／GuI實(shí)現(xiàn)。μc／cuI是Micrium公司開發(fā)的通用嵌入式用戶圖形界面軟件。
μc／GuI能夠應(yīng)用于任何IcD控制器和cPu的任何尺寸的物理顯示或者模擬顯示中。μc／GuI與
μc／Os一Ⅱ的整合，主要工作是修改GuJ—x.c文件。
4 2軟件任務(wù)劃分
應(yīng)用軟件有四個(gè)主要任務(wù)，優(yōu)先級(jí)由高到低分別為：鍵盤、細(xì)分控制、LcD顯示、串口等任務(wù)。這些任務(wù)同時(shí)需要和對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序配合協(xié)同工作。
系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。
其中鍵盤任務(wù)和LcD顯示任務(wù)配合工作作為人機(jī)交互界面，使系統(tǒng)
的操作簡(jiǎn)單直觀。細(xì)分控制任務(wù)主要用于按用戶定制的要求，輸出存于芯片F(xiàn)LASt{中的=進(jìn)制正弦表供D／A芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，系統(tǒng)也增加了串口功能．可在需要時(shí)通過(guò)上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。
細(xì)分驅(qū)動(dòng)子程序由擬正弦波法和電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法產(chǎn)生數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于FLASt{中，通過(guò)查表
輸出符合細(xì)分倍數(shù)的數(shù)據(jù)。執(zhí)行細(xì)分時(shí)，不同細(xì)分狀態(tài)下只有查表偏移量不同，不同轉(zhuǎn)動(dòng)方向也只是查表方向不同。
5測(cè)試分析
本設(shè)計(jì)以三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)sHB：368為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如下：步距角為1．2。(整步)；相電流為5 8 A(三角形接法)；保持轉(zhuǎn)矩為1．5 N·m；相電阻為0．9 1)等。
為了驗(yàn)證控制電路的性能，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組中串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻，用示波器測(cè)得此電阻
兩端的電壓波形即代表電機(jī)一相繞組的電流波形。圖5分別是系統(tǒng)在整步運(yùn)行、4細(xì)分運(yùn)行、30細(xì)分運(yùn)行時(shí)的相電流波形。
在控制信號(hào)頻率相同的條件下，4細(xì)分的相電流波形與整步運(yùn)行時(shí)的波形比較有明顯的改善，但由于細(xì)分?jǐn)?shù)較低，電流波形有明顯的階梯感。30細(xì)分下的三相電流波形，隨著細(xì)分?jǐn)?shù)增加．電流波形將變平滑，電機(jī)的運(yùn)行也將越平穩(wěn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀察得出，細(xì)分?jǐn)?shù)較低時(shí)，電機(jī)的機(jī)械噪聲和振蕩現(xiàn)象非常嚴(yán)重，隨著細(xì)分?jǐn)?shù)增高，振蕩和噪聲明顯減輕，由此說(shuō)明對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)施細(xì)分控制有效抑制了低頻振蕩和噪聲，提高了運(yùn)行平穩(wěn)性。由圖5還可以看出，三相繞組電流波形符合正弦變化規(guī)律，相位始終相差120°，符合前文推出的電流函數(shù)的相位關(guān)系。
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和實(shí)時(shí)性，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。因?qū)嶒?yàn)室現(xiàn)有條件所限，將電機(jī)安裝在一個(gè)二維機(jī)械平臺(tái)上，在平臺(tái)上放置一水杯，通過(guò)運(yùn)行時(shí)水杯中水面地波動(dòng)可演示性地粗略分析電機(jī)運(yùn)行的特性。由圖6、圖7可以看出，X軸在驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)下做直線運(yùn)動(dòng)帶來(lái)平臺(tái)振動(dòng)，從而引起水面波動(dòng)，說(shuō)明負(fù)載已被帶動(dòng)。由水面波動(dòng)的幅度可看出，電機(jī)運(yùn)行在細(xì)分控制下比在整步控制下平穩(wěn)性有明顯改善。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，在觸摸屏的操作下，基本可滿足實(shí)時(shí)性要求。
6結(jié)語(yǔ)
本文詳細(xì)分析了一種基于ARM7和LLc／Os一Ⅱ的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，通過(guò)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試可以得出以下結(jié)論：
(1)以ARM為核心控制器件，結(jié)合sPwM電流恒轉(zhuǎn)矩控制方案，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組上得到受控
的正弦波電流，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效果。
(2)以μc／0s一Ⅱ?yàn)椴僮飨到y(tǒng)，多任務(wù)的使用，使任務(wù)同步運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，也滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。且有利于LCD的顯示控制，提供良好的人機(jī)界面。
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