摘 要：介紹一種基于DMA控制器的步進(jìn)電機(jī)軟件環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有容易實(shí)現(xiàn)，占用CPU資源少，速度快等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 引言

　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用是將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移，每當(dāng)電機(jī)繞組輸入一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移和角速度分別由輸入電脈沖和電脈沖的頻率確定，控制精度在一般情況下，由步進(jìn)角決定。由于步進(jìn)電機(jī)的工作原理是各繞組必須按一定的順序通電變化才能正常工作（A AB B BC C CA A AB B ……），完成這種通電順序變化規(guī)律的部分稱為環(huán)形脈沖分配器。步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器設(shè)計(jì)通?？梢圆捎?a href="http://www.194w.cn/v/tag/1751/" target="_blank">硬件和軟件兩種方法。軟件分配器的特點(diǎn)是可以充分利用計(jì)算機(jī)資源降低硬件成本，適用多相脈沖分配，但將占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可能影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。本文通過利用 DMA 控制器，設(shè)計(jì)了響應(yīng)速度快，占用 CPU 時(shí)間少的脈沖分配器。

　　2 基于 DMA 控制器的脈沖分配器設(shè)計(jì)

　　2.1 微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

　　微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理框圖如圖1 所示，系統(tǒng)由單片機(jī)，環(huán)形脈沖分配器，功率放大器等組成。步進(jìn)電機(jī)的控制過程一般由單片機(jī)和環(huán)形脈沖分配器來完成，功率放大器按照控制規(guī)律驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。從計(jì)算機(jī)或環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)，其電流和功率較小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖信號(hào)必須經(jīng)功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。采用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，控制線路簡(jiǎn)單，控制方案改變?nèi)菀祝m應(yīng)性強(qiáng)。

　　圖 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖

　　環(huán)形脈沖分配器的軟件分配方法即完全由軟件編程來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)相序信號(hào)分配，直接從微機(jī)輸出信號(hào)端口輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方法。軟件分頻就是利用查表或計(jì)算軟件進(jìn)行控制脈沖分頻，按一定順序讀取數(shù)據(jù)（正向讀取或反向讀取數(shù)據(jù)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)），并通過輸出接口輸出相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)功率放大提供給相應(yīng)的電機(jī)繞組控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速由輸入的脈沖信號(hào)頻率決定，也就是說，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是通過控制輸入脈沖信號(hào)的頻率實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過控制勵(lì)磁信號(hào)加載的順序來實(shí)現(xiàn)。

　　軟件脈沖分配器要依據(jù)脈沖頻率和轉(zhuǎn)向控制要求來產(chǎn)生電機(jī)繞組的控制波形。以二相步進(jìn)電機(jī)為例，其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換如表 1 所示?？梢园焉鲜鲛D(zhuǎn)換表存入內(nèi)存表中，以一定頻率按順序循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，并輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)。

　　表 1 步進(jìn)電機(jī)繞組通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

　　2.2 DMA 控制器基本原理

　　DMA 即直接存儲(chǔ)器存取，是一種快速傳送數(shù)據(jù)機(jī)制。DMA 技術(shù)的重要性在于，利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)存取時(shí)不需要 CPU 進(jìn)行干預(yù)，可提高系統(tǒng)執(zhí)行應(yīng)用程序的效率。利用 DMA 傳送數(shù)據(jù)的另一個(gè)好處是，數(shù)據(jù)直接在源地址和目的地址之間傳送，不需要中間媒介。DMA 對(duì)總線控制的優(yōu)先級(jí)比 CPU 更高，所以能在 DMA 請(qǐng)求發(fā)生后非常短的時(shí)間內(nèi)，就可把數(shù)據(jù)從源地址送到目的地址 。

　　為了保證步進(jìn)電機(jī)的控制精度，必須把內(nèi)存表中的四位數(shù)據(jù)按等時(shí)間間隔同時(shí)發(fā)送到輸出端口。純軟件的實(shí)現(xiàn)方法因?yàn)檐浖?zhí)行的不確定性較難保證時(shí)間控制的精確度。有些文獻(xiàn)采取較常見的外接 EPROM［2］的方式實(shí)現(xiàn)。但是外接EPROM 的方法必須增加一個(gè)器件，就加大了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也增加了成本。

　　DMA 控制器是通常的單片機(jī)都具備的片內(nèi)資源。以定時(shí)器中斷為 DMA 請(qǐng)求因子，使 DMA控制器把內(nèi)存表數(shù)據(jù)直接傳送到端口輸出，實(shí)現(xiàn)了類似外接 EPROM 一樣的控制精度，也不會(huì)增加使用CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸帶來的額外時(shí)間和資源的消耗。

　　2.3 基于 DMA 控制器的脈沖分配器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.3.1 系統(tǒng)工作原理

　　以瑞薩的 MCU M16C/62P［2］為例，原理如圖2所示。先把表1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表分別存入內(nèi)存表中。然后，開始初始化 DMA 控制器：設(shè)置 DMA 請(qǐng)求因子為定時(shí)器B4中斷，DMA 數(shù)據(jù)源為上述內(nèi)存表的起始地址，傳輸目的為連接外部功率放大電路的 4 位通用 I/O 端口；再根據(jù)狀態(tài)表的長度設(shè)置 DMA 計(jì)數(shù)器，使其循環(huán)輸出這一塊內(nèi)存區(qū)域。最后，初始化 TmerB4：設(shè)置 TimerB4 工作在定時(shí)器模式，以 3MHz 時(shí)鐘為例作為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，根據(jù)轉(zhuǎn)速要求計(jì)算并設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)值。在初始化完成之后，就可以通過控制定時(shí)器B4，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)了?？刂齐姍C(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，打開定時(shí)器 B4 開始計(jì)數(shù)，達(dá)到計(jì)數(shù)值時(shí)就產(chǎn)生一次中斷。每當(dāng)定時(shí)器 B4 發(fā)生一次中斷，就產(chǎn)生一次 DMA 請(qǐng)求；這時(shí) DMA 控制器就從內(nèi)存表中讀出4位數(shù)據(jù)，傳輸?shù)捷敵龆丝?，?duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)一步；同時(shí)，指向內(nèi)存表的指針也相應(yīng)的前進(jìn)一步，指向下一個(gè)要輸出的狀態(tài)向量。定時(shí)器的計(jì)數(shù)值也需要在中斷時(shí)重新載入，用來產(chǎn)生下一次中斷。定時(shí)器以一定頻率產(chǎn)生中斷，就不斷產(chǎn)生脈沖輸出，電機(jī)就按一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)起來了。要控制電機(jī)停止時(shí)，停止定時(shí)器的計(jì)數(shù)，即停止了脈沖的輸出，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　圖 2 基于 DMA 的軟件環(huán)形脈沖分配器原理圖

　　2.3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制

　　根據(jù)所選用電機(jī)的使用手冊(cè)，可以查出該電機(jī)的步距角。步距角對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，由此可以計(jì)算得到輸入脈沖頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，某款電機(jī)步距角為 7.5 度，即表示輸入一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 7.5 度。為了控制該電機(jī)輸出 1200rpm 的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出該電機(jī)達(dá)到1200rpm 要求輸入的脈沖頻率是 955HZ。脈沖頻率對(duì)應(yīng)于定時(shí)器中斷產(chǎn)生的頻率。因此，以定時(shí)器輸入頻率為 3MHZ 為例，定時(shí)器的計(jì)數(shù)應(yīng)設(shè)置為：3000000/955-1 =3140。

　　修改定時(shí)器的計(jì)數(shù)值就改變了定時(shí)器中斷發(fā)生的頻率，即也改變了脈沖輸出的頻率，從而改變了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過修改控制定時(shí)器的計(jì)數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化通常不是在瞬時(shí)完成，而需要一個(gè)逐漸上升或下降的控制過程；可以把速度變化的過程分解成幾個(gè)離散的步驟，逐步實(shí)現(xiàn)速度的變化。這時(shí)就可以按各個(gè)步驟的速度控制要求修改定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化控制。同時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置 DMA 數(shù)據(jù)源指針指向正轉(zhuǎn)或反正表，就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)的軟件框圖如圖3所示。

　　圖3 軟件框圖

　　3 結(jié)束語

　　本文提出的方法，已經(jīng)成功地應(yīng)用于復(fù)印機(jī)產(chǎn)品的控制中。采用該方法，節(jié)省了硬件脈沖分配器件的成本。實(shí)踐表明，該方法具有控制響應(yīng)速度快，節(jié)省 CPU 運(yùn)行時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該方法只要修改狀態(tài)表，就可以適用于多相脈沖分配。由于通常單片機(jī)都具有 DMA 控制器，因而，該方法容易在不同的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，易于推廣。

　　圖 4 速度分布示意圖

　　圖 5 帶臺(tái)階的斗葉背面簡(jiǎn)圖

　　4 水斗側(cè)面破壞分析

　　水斗的側(cè)面、即水斗出水邊背面，也曾經(jīng)有過遭到剝蝕破壞的情況，受破壞的原因仍然是水斗出水的周期性沖擊作用所致，只是由于出水的能量甚小，因此破壞力不大。若前一個(gè)水斗的出水不磨擦到后一個(gè)水斗的側(cè)面，此類破壞幾乎可以完全避免，這就是幾乎所有沖擊式水輪機(jī)的水斗很少受到這種破壞的原因。要防止該情況的發(fā)生，主要是要設(shè)計(jì)合理的型線，并保證良好的加工工藝就能滿足。

　　5 結(jié)束語

　　總之，經(jīng)過該電站的處理，今后在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，只要保證正確的設(shè)計(jì)，合理的選型，選擇合適的材料，合理的工藝，就基本能杜絕該現(xiàn)象的發(fā)生。但由于電站運(yùn)行水頭有越來越高的趨勢(shì)，因此在水斗型線的改善，材料性能的提高，鑄造工藝的完善上都有待于進(jìn)一步的提高。