摘 要：本文介绍了一种基于DSP的永磁同步电动机的步进控制的数字式实现方式。以数字处理器TMS320F240为控制器、智能功率模块为主电路逆变器构成控制系统，实现了永磁同步电动机的全数字化步进控制。试验结果表明系统具有良好的调速和定位性能。
关键词：步进控制；PWM；永磁同步电动机；DSP
1引言
由于高性能电机控制理论和电力电子以及微机控制技术的迅速发展，永磁同步电机（PMSM）以其高效性，高转矩惯量比，高能量密度而得到诸多关注，因而在数控机床、军工、航天等领域逐渐得到广泛应用。采用电力电子技术、计算机控制技术以及步进传动技术，可使同步电动机的气隙磁动势由连续的旋转磁场变为离散的步进磁场，从而实现永磁同步电机的步进控制。步进打破了连续与离散、速度与位置、旋转与步进的严格界限，可以获得良好的速度控制，进而获得更精确的位置控制性能[1]。
本文介绍一种采用微处理芯片DSP芯片（TMS320F240）与智能功率模块（IPM）的永磁同步电动机步进控制的数字实现方法，系统结构简单、运行稳定可靠、抗干扰能力强。
2 步进控制理论
同步电动机的步进控制中心思想是将电动机的定子电流离散为bH步。每一步对应一个大小固定和位置步进的定子磁动势，与转子磁动势构成步进角，产生步进的复位转矩，从而将转子锁定在一个特定的位置上[2]。
将三相定子绕组通入对称的离散电流：
（1）
式中 ―离散步数，环形分配器的循环拍数。
离散电流波形如图1所示。由此得到的定子磁动势将是一个步进磁动势：
（2）
由式（1）可见，将输入电流的一个周期分为
份（
为正整数），对于三相绕组，为了保证三相电流互差2π/3和各相的正负半周对称，取 是6的整数倍。k为主令脉冲的拍数，
。
为了形象的说明磁动势的步进作用，取环形分配器的循环拍数 =6，并绘出步进磁动势在复数平面中的6个位置，以A相绕组的轴线为实轴，如图2所示。
当k=0时，∑F与转子轴同相， ia=Im,ib=ic=-0.5Im, ∑F (0)=1.5Fa。记作∑F（0）。同样可以得出另外5个磁动势矢量。
每发出一个主令脉冲，k加1，式（1）中的电流变换一次，定子磁动势就前进一步。在图2中六拍为一个循环，电动机的定子磁动势每步跨进2π/ =π/3电角度。如果电动机的极对数为pm，则同步电动机步进控制时的步进机械角度为
(3)
同步电动机由定子磁动势和转子磁动势的相互吸引而产生复位转矩。矩角不但决定转矩的大小，同时影响着步进运动的精度。而且，矩角控制是一种并级结构，即在控制位置的同时，相应的调整矩角，转矩和位置具有同样的快速响应速度，使步进传动系统达到最佳的运行状态。
3 控制系统的实现
3.1系统的硬件组成及功能
永磁同步电动机的步进控制系统的硬件结构如图3所示。系统由计算机和DSP的运算控制单元、基于IPM的主回路功率变换单元、基于霍尔传感器和旋转变压器的反馈信号检测单元组成。其中计算机通过仿真器与DSP连接，对电机进行实时监控。霍尔传感器用于检测定子两相电流，其输出的电流信号经滤波和电平转换成为0～5V的电压信号，送入DSP的2个10位的ADC进行模数转换。位置传感器采用旋转变压器，利用专用芯片AD2S90作为位置信号的模/数转换芯片[3]。AD2S90接收从旋转变压器来的信号（SIN、COS），将模拟角度位置信号转换为数字型轴角信息，DSP通过对同步串行通信接口的控制，为（SPI）提供串行同步时钟SCLK和选通信号CS，并从AD2S90的串行数据线读取12位二进制形式的转子位置角
。
3.2 系统的DSP软件实现
系统的软件总体上由一个初始化程序和一个运行程序组成。软件程序结构如图4所示。初始化程序功能主要完成系统端口初始状态的设置、变量的初始赋值和转子的初始定位。端口状态的设置包括定义I/O口输入输出状态；定义PWM的工作方式；定义同步串口通信来完成位置检测；定义A/D转换方式完成电流采样。中断3是位置环程序，步进控制的位置速度检测，和速度位置控制功能都在这里完成。中断2的中断服务程序主要用于电流环程序，完成电流滞环控制的功能。另外， 
引脚的中断与定时器1共用一级中断。当系统处于故障运行状态时，IPM发出故障信号，经光电隔离作用后，在DSP的
引脚产生低电平，DSP发生中断。
3.3 速度和电流环的控制
系统要实现对电机的高性能控制,需要速度反馈环节。位置检测不但用于电机的换相,而且还用于产生速度控制量，基于AD2S90的速度检测有3种方法:
（1）TMS320F240的ADC按一定周期对AD2S90提供模拟测速直流电压信号VEL进行采样,就可以实现速度反馈。TMS320F240的ADC典型转换时间是65us。但使用VEL信号能够准确地测量到电机的稳态转速,跟踪快速变化的转速时有延迟。
(2) TMS320F240按预定的采样周期读取AD2S90提供的绝对位置,通过微分运算求出转速。该方法使用微分运算,为了防止信号干扰,需要增加数字滤波器。
(3) TMS320F240计数器对AD2S90提供的增量式脉冲进行计数,计数到时产生周期中断,如果通过定时器记录下时间间隔,就可推算出电机转速[4]。这种方法能达到很高的精度且软件设计实现简单，故本设计采用这种方法，并在软件中对速度反馈进行滤波，使对电机转速的控制更加精确。
电流调节对实时性要求较高，所以本文中采用的是霍尔电流传感器，响应时间小于1微秒，能满足要求。由于电流采样的重要性，电流中断程序的优先级应设置较高，本文将其置于控制环中断2中。
4 实验结果
在自行研制的永磁同步电动机的控制试验平台上对步进控制进行了试验，试验结果如图6所示。试验中采用的电机为美国KOLLMONGEN公司生产的1.6kW的 M205B型永磁同步电动机，电机最高转速为3600r/min，额定电压为230v，额定电流为5A。
图6（a）为电机启动时a相的电流给定和电流跟随曲线，这里bH取12，从图中可以看出给定和跟随电流的每一个周期波形分为12步，这表明调制算法良好且电流跟随性能很好。图6（b）为电机的速度与位置曲线，速度分为起动、高速运行及制动3部分，显然转速和位置的性能令人满意。
5 结论
永磁同步电动机的步进控制系统具有硬件结构简单、稳定可靠、实时性强等优点。它是把位置控制、速度控制及伺服控制等不同的传动控制方式有机地结合起来，从而在电动机轴上得到位置和速度输出。该控制方法可满足一般电器传动装置对调速和定位性能的要求，有良好的应用价值。
参考文献
[1]孙鹤旭，交流步进传动系统. 北京，机械工业出版社，1996
[2] 王晓军，交流步进传动及离散控制的研究 。天津，河北工业大学硕士毕业论文，2003
[3]阎勇，旋转变压器位置信号的数字检测，黑龙江，电力技术，2003
[4]李志民，张遇杰，同步电动机调速系统. 机械工业出版社，1996
