步進電機閉環(huán)伺服系統(tǒng)的高精度控制

翁孚達， 周起華

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

步進電機是一種將數(shù)字式脈沖信號轉換成機械位移（角位移或線位移）的機電執(zhí)行元件［1］，具有動態(tài)力矩大、抗干擾能力強和定位精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于數(shù)控裝置、自動化儀器等機電一體化設備中。步進電機的位移與輸入的數(shù)字脈沖有著嚴格的對應關系，即一個脈沖信號可使步進電機前進一步，故又稱為脈沖電機。要想控制步進電機良好的工作，必須有合適可靠的驅動裝置。

步進電機易于開環(huán)控制，但是開環(huán)控制具有控制精度差，而且步進電機的系統(tǒng)誤差無法克服，必須通過閉環(huán)來解決。為了完成步進電機閉環(huán)控制，本文提出一種新型的步進電機伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制方法：基于FPGA 控制芯片和LMD18 200驅動芯片，采用RS422通訊串口完成步進電機閉環(huán)伺服系統(tǒng)的搜索控制，具有控制靈活、操作簡單、控制精度高和擴展性極強的特點。

1 細分驅動原理

步進電機發(fā)展至今，一般分為磁阻式步進電機、永磁式和永磁感應式步進電機等幾種，其中永磁感應式步進電機應用最廣。本文研究的步進電機屬于永磁感應式步進電機，它只有AB 兩相繞組，只需按照順序加電就能使電機運轉。其驅動電路主要有：單一電壓型功放電路、高低壓切換型功放、斬波恒流型功放電路、升頻升壓功放電路、細分功放電路和H 橋功放等。本文綜合細分功放電路、斬波恒流型和H 橋功放電路的優(yōu)點，采用恒轉矩的正余弦斬波恒流細分H 橋功放電路，具有發(fā)熱小、運行平穩(wěn)、換向靈活等特點。

對于兩相永磁感應式步進電機，其靜轉矩為［2］

式中：Wf12為定子回路中定子電流和轉子磁鋼產生的互磁共能分量；Wf21為轉子回路中定子電流在轉子上產生的互磁共能分量；Wms為定、轉子電流回路自身產生的磁場分量之和。

根據(jù)電磁場和電機原理可以推出

式中：p 為電機的極對數(shù)。

由于A、B兩相相差90°，根據(jù)疊加原理，A、B兩相同時通電時的靜轉矩為

為了使靜轉矩保持相等，需給A、B兩相通以下列的電流

這就是步進電機的正余弦細分原理。因此，只需在電機A、B 繞組上分別加一余弦和正弦的電流值，就完成了步距角的正余弦細分。電流的采集要通過電流采集電路來完成。本文采用的LMD18 200步進電機功放元件具有電流采樣輸出端［3］，可以采集流經功放管橋臂中的電流，為準確地進行電流的細分提供了可能。為了完成均勻準確地細分，還要通過D／A 轉換器來完成［4］。

2 閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

步進電機的閉環(huán)控制方法一般分為步效驗、無傳感器的反電動勢檢測和有傳感器反饋的全伺服控制等。本文采用的方法就是使用RS422通訊、FPGA、位置反饋元件的全伺服控制。位置反饋元件將檢測到的實際位置反饋給控制器，控制器根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)實時調整輸入的脈沖數(shù)、頻率，使步進電機實際位置和指令位置一致，從而達到步進電機高精度控制的目的。

步進電機RS422閉環(huán)控制原理如圖1所示。

上位機發(fā)送RS422命令字，經過422配置芯片與FPGA 進行數(shù)據(jù)通訊，產生需要的驅動命令驅動功率元件LMD18 200，產生電機的兩相繞組電流。LMD18 200的電流輸出端經過電流檢測電路形成一個模擬電壓信號，同時FPGA 送出的相應細分數(shù)數(shù)字量，經過高精度D／A 轉換器變成一個細分電流模擬電壓信號，兩者經過比較器產生調制好的PWM 信號經過功率放大送給LMD18 200［5］，驅 使 電 機 按 照 相 應 的 命 令 運 轉。電機運轉的同時，位置反饋元件實時把當前的位置信息送給FPGA，與RS422發(fā)送過來的角度信息相比較，形成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

由圖1可知，F(xiàn)PGA 是整個控制系統(tǒng)的核心，它不但產生電流細分的正余弦數(shù)據(jù)，保證了電機繞組的電流按照D／A 給定的電流運行，還要實時處理RS422和位置檢測元件的數(shù)據(jù)，并進行電壓頻率轉換，完成系統(tǒng)的閉環(huán)。

由于驅動元件LMD18 200無法輸入負信號，故D／A 輸出的正余弦波形要進行處理，取其絕對值，變成恒正信號，至于換向則通過功率元件的方向信號端口來控制。理論上，D／A 輸出的波形與繞組電流反饋的波形，如圖2所示。

圖2可以知道，繞組反饋的電流是臺階狀上升的，細分數(shù)越大，臺階越密，越接近正余弦曲線。

3 程序設計與實驗結果

RS422控制方法遵循串口通訊協(xié)議，本文討論的協(xié)議：波特率115.2kB，字節(jié)8 位，偶校驗，停止1位，數(shù)據(jù)格式如表1所示。

圖1 閉環(huán)控制原理圖

圖2 繞組細分電流波形

通過表1可以知道，RS422發(fā)送一幀包含22的字節(jié)，其中幀頭4位、幀尾1位?？刂谱职瑔?、停止、搜索跟蹤切換等命令，數(shù)據(jù)包1～數(shù)據(jù)包4包含了各種處理數(shù)據(jù)和位置反饋數(shù)據(jù)，可以任意設置，具有極強的擴展性和可編程性。

表1 RS422串口通訊協(xié)議

RS422閉環(huán)控制程序流程圖，如圖3所示。

按照圖3的流程圖編寫搜索程序，用串口調試助手設定好通訊協(xié)議，發(fā)送命令字：7E7EEB 90 11 05 1d00 00FF DE 00 00 00 00 00 00 00 00 000000，可以驅使電機進行指定的預定命令操作。如若改變預定參數(shù)只需改變發(fā)送的數(shù)據(jù)即可，操作簡單，控制靈活。實驗測出RS422發(fā)、收數(shù)據(jù)包分別如圖4、圖5所示。

圖3 RS422閉環(huán)控制程序流程圖

D／A 輸出曲線與電機繞組的電流波形分別如圖6、圖7所示，比較器輸出的PWM 脈寬調制波形如圖8、圖9所示。

閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

圖5 RS422接收數(shù)據(jù)包

圖6 兩相繞組DA 的輸出波形

圖7 兩相繞組電流波形

圖8 比較器輸出的兩相PWM 脈寬調制波形

圖9 PWM 脈寬波形局部放大圖

表2 實驗測試數(shù)據(jù)

通過實驗結果可知，在RS422閉環(huán)控制下，控制電機的輸出曲線光滑，電機運行平穩(wěn)，與理論分析曲線非常接近；伺服系統(tǒng)實際機械角度和預裝角度的誤差很小，控制精度高，性能穩(wěn)定。

4 結論

本文分別通過理論和實驗論述了RS422 串口通訊控制步進電機閉環(huán)伺服系統(tǒng)方法，實驗結果表明，該控制方法靈活，操作簡單、具有很強的擴展性，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制精度高，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

［1］ 梅曉榕，等.自動控制元件及線路［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001.

［2］ 哈爾濱工業(yè)大學，成都電機廠.步進電動機［M］.北京：科學出版社，1979.

［3］ 林建委.電機驅動用H 橋組件LMD18 200的應用［J］.國外電子元器件，1998，（9）.

［4］ 董亮輝，等.步進電機寬調速多細分控制系統(tǒng)研究［J］.測控技術，2012，31（1）.

［5］ 王志超，等.兩相混合式步進電機細分驅動［J］.信息與電子工程，2008，（12）.