基于dsp的自诊断步进电机控制系统

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1、基于DSP的自诊断步进电机控制系统摘要：本文介绍了-•种的新型的步进电机控制系统，采卅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吋运算。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楷度，并实现了步进电机在运行中瞬时故障的实时监测和报警。1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，在数字控制系统屮作为执行电动机，由

2、专门的、可以产生一定频率、功率和时序的电脉冲的驳动器驳动。DSP（DigitalSignalProcessor）—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,町较为容易的产生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。木文提出了一种基于TMS320LF2407的步进电机控制系统，它与传统的单片机控制相比，能人大提高数据处理能力，更能满足实吋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。2系统总体设

3、计木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。在电机控制模块的设计中，由键盘设定给定转速（位置），通过中央控制器TMS320LF2407來产生PWM脉冲信号來控制步进电机的转速（位置），nJ以采用光电编码器对步进电机的转速（位證）进行采样检测实现闭坏控制，也•可以采川开环控制无需转速（位置）信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液品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

4、断资源，在此设计基础上具有一定的扩展空间。在传统步进电机的控制电路屮，步进电机的转动常采用方波脉冲來进行控制，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牛共振，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,使得磁场欠量幅值也出现多个屮间稳态值，合成磁场同样将出现这样的稳态值，转子就沿曹这

5、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，等转矩的运行方式其中：是电机的额定电流，是合成磁场矢量与A和磁场矢量的夹角，是相邻两相绕组单独通电时产生的磁场矢量的夹角，三相步进电机的值一般为。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，控制策略釆川矢量控制，在给定转了磁链的位置和两相电流的情况下，该控制篦法通过坐标变换和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了的机械位置求得，而转了机械位置可以通过主序脉冲序数k和起始位置求得。两相反馈电流和通

6、过变换，输出和作为反馈量使用，作为电流模型的输入，作为参考电流（磁链参考量）和（转矩参考量）的比较量。电流量通过比较以后，在经过PI调节就输出电压参考量和，在经过相应的传栗变换，就町以获得和，而此两个量刚好是电压空间矢量法的矩阵输入，至此整个矢量控制就此完成了。自诊断功能模块的设计电机和其他所有机器设备一样，在运行过程中有能量、热量、磨损、振动等各种物理和化学参数的传递和变化，这些信息变化直接或间接地反映出电机的运行状态，而振动信息(位移、速度、加速度)能够敏感地反映电机的运行状态。利川振动诊断法可以有效地诊断出电机的故障。步进电机故障的诊断，

7、关键问题是如何把各种冇用的故障信息分离出来。例如当滚动轴承在运行过程小易发生局部损伤，当轴承某一元件表面出现局部损伤吋，在受载运行过程中每当滚动体碾压到故障点，就必然产牛一个能量发散范围广，能量分量很小的冲击，但由于冲击脉冲力的频带较宽，其屮必然包含滚动轴承的内、外圈和滚子等元件各自固有频率激发的和应的高频固有振动，为了有效除去高频和低频的干扰，可以利用其截止频率等于该固冇频率的带通滤波器将该共振解调信号分离出来，然后通过软件或用电路对这些衰减振荡波进行包络解调，去除高频衰减振动的频率成分，获得只包含故障特征信号的低频包络信号，通过DSP対该包

8、络信号进行频谱分析，可得到很高的频率分辨率，并方便地找出対应的故障冲击的发生频率，便可以对轴承故障进行诊断。振动信号处理框图带通滤波器的设计，可采用有