一种高精度的步进电机控制系统设计实现

河南中光学集团研发中心 周 磊 吕瑞云

1.引言

由于超大规模集成电路技术的迅速发展，DSP(数字信号处理器）技术在电机控制领域得到广泛应用。TMS320F2812系列的DSP芯片具有高速的数字信号能力和专为电机控制而设计的结构，使得高实时性要求和复杂算法在电机控制中实现成为可能。系统通过一种模糊控制方法实现高精度的定位，采用两重补偿反馈和开环控制相结合提供较高的运行效果，失步检测功能可以进行补偿和反馈故障信息，同时提供较高的故障适用性，可获得近似于伺服电机的性能，具有较高的性价比。

2.控制系统组成

本控制系统由控制器，步进电机驱动器，步进电机、传动机构、负载、和光电码盘等组成，系统基本组成图见图1。控制器送给驱动器一定频率和个数的脉冲，驱动器接收脉冲信息和方向信号，码盘反馈位置信息给控制器，步进电机为直流五相步进电机，传动机构为蜗轮蜗杆。

系统中采用步进电机作为驱动元件，由于步进电机属于数字脉冲驱动型，一个脉冲走一步，通过脉冲的个数可以确定其位置，通过脉冲的频率可以控制转速。但如果控制做的不好，容易导致失步甚至堵转，例如当转台的速度跟不上脉冲的频率时，就会失步。当开环系统发生失步时，控制器并不知道系统已失步，此时如果有位置反馈及时纠错，同时修正系统的加减速控制，就可以使系统继续正常的工作，这样提高系统的精度，同时也避免了堵转现象的发生。

3.系统硬件设计

本控制系统中主要硬件：

图1 系统基本组成图

图2 控制器原理框图

方位步进电机：五相混合式步进电机，基本步距角0.72度，选配驱动器最大细分256，本系统选用10倍细分，驱动电压选24v；

俯仰步进电机：五相混合式步进电机，基本步距角0.72度，选配驱动器最大细分256，本系统选用10倍细分，驱动电压选24v；

中心处理器选：TI公司的TMS320F2812；

位置传感器选用3600线增量式光电编码器；

限位开关选用光电限位开关，俯仰和高低各两个。

控制器用于完成微机伺服命令解释，在位置反馈下实现步进电机的精确控制，主要包括：微机通讯接口、码盘接口、码盘信号处理、驱动电机接口、TMS320F2812、电源等，其中控制主板接口全部采用光电隔离措施，控制器原理框图见图2所示。

其中，DSP作为核心处理器实现各种外围功能和核心算法，FPGA配合DSP实现加减速控制，输出脉冲信号给驱动器。编码器的正交信号可以直接送给DSP的码盘接口由DSP计数，也可送给FPGA进行计数，然后由DSP取，进而减轻DSP的负担，本系统的编码器线数为3600线，4倍频后是14400，小于DSP内部编码器期寄存器的计数范围，所以本系统直接采用DSP自带编码器器接口实现码盘位置信息的采集。

4.关键技术设计实现

本控制系统为了达到较高的定位精度，还有具有较高的适用性，经济性和可靠性，在软件方面做了如下关键技术设计研究。

4.1 速度曲线

速度曲线，包含升速曲线和降速曲线，可以采取直线升速，但影响的快速性。比较来说，指数曲线是理想的速度曲线，与电机的电磁转速转矩特性相适应。指数速度曲线见图3。

假设曲线分100段，最高速为15000P/s，以伺服系统的步距角为单位。

指数曲线：EXP(-n/50)

升速曲线：R=15000*(1-EXP(-n/50))

降速曲线：R=15000*EXP(-n/50)

经过理论和试验分析，升速曲线性能可以，但降速曲线在高速时的降速加速度较大，而电机在高速时的力矩输入较小，此时速度较高时容易出现失步的现象，所以把降速曲线设计为升速曲线的逆转过程，经过试验证明效果很好。另外因从静止升速时指数曲线的的加速度较大，可以增加在低速阶段的运行时间以防止失步，同时也减小了停止时的过冲作用。

4.2 空回补偿实现

伺服传动机构采用涡轮涡杆，变速比60，具有自锁定功能，并可以大大提高电机的输出转矩，但涡轮涡杆机构的固有缺点，具有齿间隙，严重影响系统的定位精度。为消除次间隙，系统配用3600线码盘，进行位置反馈。

空回产生原理说明：效果可以参考下图，当涡轮逆时针转动时，涡轮蜗杆的咬合效果如图，其中吃力面接触，但另一面具有明显的间隙，但要反转时，首先要转动一个角度克服间隙，然后才能带动蜗轮转动。

图3 指数速度曲线

图4 过冲振荡处理程序流程

图5 二轴运动控制系统组成

空回补偿可以在运行整过程或运行开始进行或在运行结束时进行。原理是根据目标位置abc_c_dest(在运行开始时已经计算好的)与当前位置abc_c(需要根据码盘返回值实时校正的)的差值在PWM中断中实时更新Pcount，(将要运行的脉冲步数)，如果不用空回补偿则此式只计算一次。

PIY.p_count=| PIY.abc_c_dest-PIY.abc_c|

下面就这三种方法进行分析：

1)运行整过程

在一个运行指令的启动到停止实时计算校正abc_c和Pcount。在低速时，小于30°/s时，没有明显问题，转台停止时仍在可接受的低速停止，没有突然停止的感觉。但高于30°/S时，就有突然停止的感觉（停止的速度仍然较高），且速度越高现象越明显。而这种现象在摇杆模式和内部的定位控制（预置位、扫描、搜索模式）相比，也不同，其中摇杆模式时的现象更明显（内部停止处理不同），定位控制时不明显。所以，目前程序的处理在内部定位控制时，采用全程实时计算，但摇杆模式和自动跟踪模式时，不进行补偿。

2)开始阶段

全程校正abc_c，当在只降速之前进行实时计算Pcount时，转台慢速停止，停止后反向运行，现象非常明显。说明在减速段已经过冲了，只是此时不根据码盘校正的abc_c计算Pcount，所以就慢速停止。后由于过冲和振荡补偿，转台再次方向运行到目标位置处。

3)结束阶段

全程校正abc_c，当在只降速之后进行实时计算Pcount时，转台在较高速度处停止。此时，Pcount是一个很大的负数，说明Pcount是突然变为一个较大负数的。

在建筑装饰装修当中，常用的清洁能源主要有地热能源、太阳能与风能等。地球表面空气流动速率的不断加快，产生动能，最终形成了风能，合理应用风能，对生态环境不会产生任何污染。太阳能资源是现阶段全球应用最广泛的自然能源之一，能够实现免费应用，不必进行运输，应用价值特别高。在建筑室内装饰装修设计过程当中，设计人员还要科学应用地热能源，减少生态污染的产生。

经过以上分析，针对各种模式都采用码盘反馈补偿空回的方案，采用了在降速的最后1/3段，实时校正计算abc_c，全程通过目标位置和但前abc_c计算Pcount，的处理方式，经过试验，在高速和低速时效果都不错。

4.3 过冲振荡处理

转台因为惯性的存在，在停止时，会出现振荡和过冲现象。为提高系统回归和预置位精度，在一次运行停止后等待100ms，等振荡或过冲结束后系统最终静止后，再次根据码盘反馈数据和目标位置比较，如果大于一定数值则启动新的运行指令继续运行直到达到精度要求，此时一个“子运行”过程结束，才处理下一个运行指令。过冲振荡处理程序流程图见图4。

4.4 速度反馈处理

对于步进电机系统，在没有失步和堵转的情况下，可以不采用速度反馈。而这些要求在实际中往往难以保证。为提高系统的适应性，抗干扰性，防止在失步或堵转时出现的啸叫声音，同时使系统可以继续运转，可采用速度反馈。

速度反馈的实现有两种方案：码盘位置的差分处理和PWM中断中的同步检测。

1)码盘位置差分处理：采用定时器的定时采集位置数据，并取差，计算出速度。并与指令速度作比较，然后做相应的处理。

2)PWM中断中位置同步检测：中断一次，转台应走一步。计算中断次数和码盘的的位置差值，判断是否失步或堵转。在失步情况下，减速处理，在堵转情况下，马上停止。同时置故障标志，并上传。

4.5 失步补偿检测

1)在装配阶段，对机械传动机构进行研磨校正，尽可能减小空回，这需要失步检测。

2)在运行阶段，由于长期运转造成空回量增加引起失步，此时一方面要检测到失步并上传故障信息，同时对失步量进行检测补偿，保证系统依然能够正常运行，不影响运行效果。

3)当系统出现异常咔滞，无法转动时，系统严重失步，此时上传故障信息。具体失步检测流程如附图4所示。电机每转N步，即根据码盘反馈数值计算等效电机步数N1并判断一次，如果偏差过大，大于K，则认为电机失步，此时即根据失步程度采取降速处理，使其不至于出现脉冲速度与负载速度不匹配引起继发性失步，同时把失步次数计数器T加1，并上传失步故障，判断T值是否大于3，即是否连续3次失步，如果是既认为出现咔滞堵转，停止运行并上报故障信息，如果|N-N1|值偏差小于参量K，则认为没有失步，各标志N，N1，T清零并重新进行下一次判断。

5.具体实例应用效果

根据上述技术方案，设计二轴摄像转台步进电机控制系统，系统的所有算法都由DSP实现，一块运动控制卡实现对方位轴和俯仰轴的控制功能，实现各种运动控制模式，摇杆控制模式、预置位模式、扫描、搜索模式以及自动跟踪模式等，其中摇杆模式不需要很高的定位精度，所以采用开环控制，速度曲线采用指数加减速曲线，可以达到较高的运行效果，预置位模式需要很高的定位精度，所以采用模糊控制，加上空回补偿、停止过冲补偿以及码盘反馈，各种模式下都采用失步检测功能。系统成本低，定位精度高，适应性好，性价比高。二轴运动控制系统组成见图5。

本系统最终实现指标：

最大方位回转速度 ≥ 60°/s

最小方位回转速度 ≤ 0.1°/s

最大俯仰回转速度 ≥ 60°

最小俯仰回转速度 ≤ 0.1°/s

最大工作角加速度 ≥ 60°/s2

回归与预置位精度 ≤ 0.06°

功能上全部实现系统所要求的功能，并且控制方式更加灵活，可靠性更高。

6.结束语

本文介绍的步进电机控制系统，控制灵活性好，可以实现复杂的控制算法。本系统已广泛应用于多种视频监控系统中，实践表明，按照此方案进行的步进电机控制系统，成本低，精度高，自适应能力强，可靠性高，具有在相关领域推广的价值。

[1]苏奎峰,吕强,陈圣俭.TMS320F2812原理与开发[M].电子工业出版社,2005,4．

[2]史敬灼.步进电动机伺服控制技术[M].科学出版社,2006,7.