利用DSP控制步进电机带动电动滑台实现行程控制与进给速度调节功能

基于 DSP 的丝杠螺母电动滑台设计

摘要： 丝杠螺母电动滑台是数控机床机械运动系统中的重要部件。本文提出了一种基于 DSP 的丝杠螺母电动滑台设计方案，介绍了设计原理与元件的选择。试验结果表明：DSP 强大的数字信号处理能力可以控制步进电机带动电动滑台完成各种行程动作和速度调节。

      目前，国内一般的数字控制系统都是采用工控机或者 是单片机来做位置和速度运算。应用工控机的系统在大多 数的场合下都能稳定工作，但由于高昂的价格，导致应用 不太广泛；而采用单片机的系统则只能应用在慢速和数据量小的系统中。由于数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）应用技术的迅速发展，其强大的功能为数 字控制系统的开发提供了一种新的思路。

      本次设计中，我们采用的产品是 TMS320F28335，其作 为 TI 公司 Delfino 系列中的一员，是由 C2000 DSP 发展而 来的。这款产品具有很出色的离散信号处理功能，集成了 丰富的外设，代码密度和执行速度都能满足各种要求。此 外，其开发方法与微控制器的开发过程相似，但处理功能 更加强大，片上外设更丰富，在高性能电机控制领域得到 了广泛的应用。TMS320F28335 的主要特性有高性能静态 CMOS 技术、高性能 32 为 CPU、丰富的串行端口外设、 JTAG 边界扫描支持 IEEE 1149.1-1990 标准测试端口和 边界扫描架构、支持 ANSIC/C++编译器/汇编语言/Code Composer Studio IDE 等开发等等。

     一台数控机床加工出来的产品的精度与电气驱动部件和进给系统的机械传动部件息息相关，此外还要求伺服电动机速度环的动态性能与机械部分动态特性相协调。而数控机床进给系统的机电部件的核心就是丝杠螺母电动滑台， 通过选用合适的丝杠螺母，采用联轴器实现电机与丝杠之间的传动过渡，加上DSP 的高效数字信号处理功能，将可以实现对电动滑台位置、移动速度的精确控制。为了便于研究， 我们采用步进电机替代伺服电机，取消位置检测与速度反馈装置。

1 设计方案

1.1 数字信号处理器

      TMS320F28335 的 CPU 是一种低功耗的 32 位定点数 字信号处理器，集中了数字信号处理器和微控制器的诸多 优秀特性，包括可调整的哈佛结构和循环寻址方式、精简 指令系统（RISC）、字节的约合与拆分、位操作等。其在保 持 150MHz 时钟速率不变的情况下，与 TI 前代领先数字 信号控制器相比，性能平均提高 50%。与作用相当的 32 位 定点技术相比，快速傅里叶变换等复杂计算算法采用新技 术后性能提升了一倍多。利用 CPU 改进型哈佛结构可以 并行执行指令和读取 CPU，可以在写数据的同时进行流水 线中的单周期指令操作，还可以同时读取指令和数据， CPU 通过 6 组独立的地址和数据总线完成这些操作。

1.2 步进电机

       数控机床的伺服驱动系统按其控制原理和有无位置 检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。其中开环伺服系统即无位置反馈的伺服系统， 其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。这两种驱动元件不用位置检测装置实现定位，而是靠驱动装置本 身。步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移的一种装置，其转子转角正比于输入的电脉冲数，速度正比于电脉 冲频率，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。

 步进电机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的 重要参数，它取决于电动机结构和控制方式。步距角 θs 可 用如下公式计算：

       其中，Z 为齿数；K 为通电状态系数，单拍时 K=1，双 拍时 K=2；m 为相数。

      数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0.5°~ 3°，一般情况下，步距角越小，加工精度越高。

1.3 丝杠螺母

      丝杠螺母机构又称为螺旋传动结构，它主要用来将旋 转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。按 照摩擦性质还分为滑动丝杠螺母机构和滚动丝杠螺母机 构，其中滚珠丝杠螺母机构结构复杂、制造成本高、无自锁 功能，但是最大优势在于摩擦阻力矩小、传动效率高，通常 可以达到 90%以上。

丝杠螺母的传动形式有：

①丝杠固定、螺母转动并移 动；

②螺母转动、丝杠移动；

③丝杠转动、螺母移动；

④螺母 固定、丝杠转动并移动。

       其中丝杠转动、螺母移动的形式需 要限制螺母的转动，需加导向装置，在机床中的体现就是 导轨，其特点是结构紧凑、丝杠刚性好，工作行程大，在机 电一体化中应用广泛。

1.4 步进电动机的驱动控制系统

      在步进电动机伺服系统中，DSP 控制器根据速度进给指令，通过译码与脉冲发生器产生与进给速度相对应的一 定频率的指令脉冲，再经环形分配器，按步进电动机的通 电方式进行脉冲分配，并经功率放大后送给步进电动机的 各相绕组，以驱动步进电动机旋转。步进电机驱动系统框 图，如图 2 所示。

环形分配器和功率放大器组成了步进电动机的驱动 控制器，步进电机的运行性能是步进电动机和驱动器控制 的综合结果。 本次设计采用的驱动控制器与步进电机的连接示意 图如图 3 所示。

 1.5 丝杠螺母电动滑台的行程控制与进给速度控制

      由于丝杠螺母与电机转动轴之间采用联轴器联接，电机的转角将以 1：1 的比例反映到丝杠上去，所以电动滑台的行 程正比于步进电机的转角。由步进电机的工作原理可知， 电机的转角正比于控制脉冲的个数，只需调节 DSP 的控 制脉冲个数，即可实现电动滑台的行程调节。

      我们知道，步进电机的工作过程是“走一步停一下”的 循环过程，也就是说步进电机的步进时间是离散的。所谓 步进电机的速度控制就是控制步进电机产生步进动作时 间，使步进电机按照给定的速度规律进行工作。

       而控制步进电机产生步进 动作时间需要用到 TMS320F28335 芯片中的 ePWM 功能，增强型脉冲宽度调 制器（ePWM）外设是商业和工业设备中电力电子系统的 关键控制单元，如数字式电动机控制、开关式电源控制、 UPS 等。PWM 外设可以产生丰富的脉冲宽度而占用最少 的资源，同时具有很强的编程性，而 ePWM 对每个 PWM 通道根据所需要的时序和控制资源的要求来分配地址，避 免了通道间的交叉耦合和资源共享问题，并且 ePWM 由 较小的有独立资源的单通道模块所组成，这些模块可以根 据需要形成一个系统。

1.6 DSP 程序编写

      数字信号处理器 DSP 的程序编写与单片机等微处理 器有所区别，需要有一套完整的软、硬件开发工具，在本次 设计中，我们采用的是与 TI 公司开发的 DSP 产品系列相 配套的 CCS3.3 调试软件、XDS510 USB 仿真器和驱动器。 XDS510 USB 仿真器有两个接口，如图 4 所示。XDS510v> USB 仿 真 器 有 一 个 14 针、间距为 100mil 的 双 排 插 针，它是一个 JTAG 仿 真 器 的 标 准 接 口，可以和各个厂 家开发板的 JTAG 接口相兼容。使用 时，通过此接口对 主 控 DSP 处 理 器 进 行 硬 件 仿 真 调 试，其具体定义如 图 5 所示。

       下 面 对 DSP 控制步进电机的程 序原理进行说明： 步进电机控制 器采用两个定时器 cputimer0 和 cputimer2;cputimer0 为步进电机每一步的周 期计数，定时器的计数初值为 0XFFFF，计数满时不产生定 时中断；cputimer2 为步进电机的驱动程序，保证步进电机 的驱动程序能够及时的相应；每 20uS 产生一次中断，在中 断中调用步进电机驱动程序。

      步进电机驱动程序核心 SMotorDrv() ：其中MotoMem. MotoL1.StepID为电机当前速度在速度表中的下标号，产生步进 CLK 时，用于从速度表中查出脉冲宽值，并计算下 一个脉冲产生时间；MotoMem.MotoL1.StepTimer 为电机下 一步的定时值，当 cputimer0 的值超过 StepTimer 时，根据当前速度（StepTMR[MotoMem.MotoL1.StepID]）计算下一个脉冲产生的时间，并存入 StepTimer，同时步进电机的 CLK 取反一次；MotoMem.MotoL1.SpeedTMR 为取下一档速度的 定时值，当 cputimer0 的值超过 SpeedTMR 时，如果 StepID 值小于最大速度，则计算变换下档速度的时间，以实现加 速功能，否则速度恒定不变；每发送一次脉冲刷新一次方向；MotoMem.MotoL1.CtlBit.Go  为电机驱动核心使能，此位 为 1 时步进电机驱动开始工作，为 0 时，将速度下标号清 零，并且刷新定时值。

2 结语

       本文提出了一种基于 DSP 的丝杠螺母电动滑台设计方法，利用 DSP 强大的数字信号处理能力，选用合适的步进电机、联轴器、丝杠螺母电动滑台等，使得电气驱动部件与进给系统的机械传动部件相配合，步进电机速度环的动态性能与机械部分动态特性相协调，从而使电动滑台能够实现各种行程控制与进给速度调节功能。

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