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基于 DSP 的自诊断步进电机控制系统 符晗，覃嘉恒，刘电霆 （桂林工学院电子与计算机系，广西 桂林 541004 ） 【摘要】本文介绍了一种的新型的步进电机控制系统，采用 DSP 作为控制器，构建步进电 机的驱动系统，并在此基础上实现细分角度和电流的实时运算。利用其片内集成的事件管理 模块通过软件实现脉宽调制。提高了系统控制性能，实现步进电机步距角的高精度、连续细 分驱动。同时通过振动信号的分析对电机轴承进行故障诊断。综合利用了包络检波和对 FFT 频谱分析法，有效提高系统的实时性和测量精度，并实现了步进电机在运行中瞬时故障的实 时监测和报警。 【关键字】DSP 包络检波 FFT 步进电机 PWM 【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 一、引言 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在数字控制系统中 作为执行电动机，由专门的、可以产生一定频率、功率和时序的电脉冲的驱动器驱动。DSP （Digital Signal Processor ）— TMS320LF2407 芯片作为一款定点 DSP 控制器尤为适合于控 制系统，其所包含的事件管理模块，可较为容易的产生 PWM 脉冲信号，采用其作为控制核 心，构建步进电机的驱动系统，极为方便的实现电机数字化控制。本文提出了一种基于 TMS320LF2407 的步进电机控制系统，它与传统的单片机控制相比，能大大提高数据处理能 力，更能满足实时性和控制精度的要求，并在此基础对步进电机进行故障诊断，实现在步进 电机在运行中瞬时故障的监控和报警。 二、系统总体设计 本系统总体是由电机控制模块和自诊断模块两部分组成，整个电机控制区模块分为四个 部分组成：DSP 中央控制器，步进电机及驱动，光电编码器，键盘及液晶显示部分等组成。 电机控制模块的设计 如图 1 所示，在这个系统设计中，由键盘设定给定转速(位置) ，通过中央控制器 TMS320LF2407 来产生PWM 脉冲信号来控制步进电机的转速(位置),可以采用光电编码器对 步进电机的转速（位置）进行采样检测实现闭环控制，也.可以采用开环控制无需转速（位 置）信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。整个硬件结 构简单直观，中央控制器 TMS320LF2407 还剩余丰富的 I/O 及中断资源，在此设计基础上具 有一定的扩展空间。 图 1 步进电机驱动原理图 在传统步进电机的控制电路中，步进电机的转动常采用方波脉冲来进行控制，通过控制 脉冲的频率、个数等，从而控制电机的转速、转向、位移等。但是电机在工作过程中，由于 各种原因可能会产生共振，影响电机低频、低速时的工作特性，为了避免电机工作的共振点， 改善电机在低频低速时的工作特性，并进一步提高步进电机的控制精度，通常用细分电路来 解决这一问题。要使细分数提高就必须控制步进电机中各相励磁绕组电流,使其按阶梯方式 升降, 出现多个电流中间稳态,使得磁场矢量幅值也出现多个中间稳态值,合成磁场同样将出 现这样的稳态值,转子就沿着这样的中间值以微步距转动。 脉冲细分方式有多种，但最佳方式是采用等步距角，等转矩的运行方式 ⎧ I I .sinθ ⎪ A m sin β ⎨ =− I I . cosθ cosβ.sinθ ⎪⎩B m ( ) 其中：I m 是电机的额定电流，θ是合成磁场矢量与 A 相磁场矢量的夹角，β是相邻两相绕 组单独通电时产生的磁场矢量的夹角，三相步进电机的β值一般为2π/ 3 。 根据以上分析，我们就可以构建三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统，控制策略采用 矢量控制，系统框图如图 2 所示 图2 脉冲细分驱动系统框图 在给定转子磁链的位置和两相电流的情况下，该控制算法通过坐标变换和 PI 调节，实 时控制步进电机的磁场和转矩，从而就能高精度、高效率的控制电机。转子磁链的位置可以 通过转子的机械位置求得，而转子机械位置可以通过主序脉冲序数 k 和起始位置求得。 两相反馈电流i 和i 通过 a,b,c → a