基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)速度控制研究

江洋

摘要：本文對(duì)步進(jìn)機(jī)一個(gè)全面的介紹，再基于單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。本文采用硬件控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)MC9S12XS128與光電編碼器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度的控制。最后對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度曲線進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)機(jī) 單片機(jī) 光電編碼器

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或者階躍電動(dòng)機(jī)，作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)之中，比如當(dāng)今電子鐘表、工業(yè)機(jī)械手、包裝機(jī)械和汽車制動(dòng)元件的測(cè)試中等。步進(jìn)電機(jī)在未來(lái)應(yīng)用前景會(huì)往更加小型化、從圓形電動(dòng)機(jī)往方形電動(dòng)機(jī)和四相、五相往三相電動(dòng)機(jī)發(fā)展。而這便需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制提出了更高的要求。

1.步進(jìn)電機(jī)綜合介紹

1.1.步進(jìn)電機(jī)分類

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。

1.1.1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大扭矩的輸出，步進(jìn)角一般為1.5度。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但噪音大。

1.1.2.永磁式步進(jìn)電機(jī)

永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需正負(fù)脈沖供電。

1.1.3.混合式步進(jìn)電機(jī)

混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。它分為兩相和五相，兩相的步進(jìn)角一般為1.8度，而五相的步進(jìn)角為0.72度。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。

目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。

1.2.步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移增量，也即是說，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，便驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角位移量。我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，通過控制脈沖的頻率來(lái)控制速度與加速度。

如圖一所示，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線分別于轉(zhuǎn)子的軸線錯(cuò)開。當(dāng)A相通電時(shí)，由于定齒的A齒與轉(zhuǎn)子的1齒對(duì)齊，沒有切向力，轉(zhuǎn)子靜止，接著B相通電，轉(zhuǎn)子齒偏移定子一個(gè)角度，由于勵(lì)磁磁通力圖沿著磁阻最小的路徑通過，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到定子齒對(duì)齊位置時(shí)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切向力的作用，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在該位置上。綜上可得出，錯(cuò)齒是促使步進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。

在非超載的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和脈沖頻率，而不受負(fù)荷變化的影響。本文是基于這個(gè)條件下進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)速度控制研究。

2.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

2.1.脈沖控制的方法

實(shí)現(xiàn)脈沖的分配的方法有兩種：軟件法和硬件法。軟件法在電機(jī)運(yùn)行的過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了CPU大量的時(shí)間，可能會(huì)使單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行其它工作，所以現(xiàn)在大部分都是采用硬件法。

2.2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的研究

良好的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案能強(qiáng)有力的支撐步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào), 通過驅(qū)動(dòng)器就能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。角位移量與脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)。步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài)：制動(dòng)加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩（通常稱為剎車保持，無(wú)需電磁制動(dòng)或機(jī)械制動(dòng)）及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（能夠被外部推力帶動(dòng)輕松旋轉(zhuǎn)）。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，必須與步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)相匹配。否則，將會(huì)損壞步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響和制約加減速曲線的效果。

其硬件方面，基于MC9S12XS128 16位MCU以及光電編碼器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路支撐軟件平臺(tái)。

MC9S12XS128是飛思卡爾公司為成本敏感型汽車車身電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的16位微控制器，其相關(guān)特性足以滿足此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。MC9S12XS128 MCU主要特性：

(1) S12X CPU， 最高總線速度 40MHz；

(2) 2.128KB閃存，帶有錯(cuò)誤校正功能（ECC）；

(3) 帶有 ECC 的、4KB 至 8KB DataFlash，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)；

(4) 可配置 8 、10 或 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間 3μs；

(5) 支持控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊；

(6) 帶有 16-位計(jì)數(shù)器的、8-通道定時(shí)器；

(7) 出色的 EMC，及運(yùn)行和停止省電模式。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)采用ULN2003芯片，ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成，其工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。

基于步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)選用四相五線步進(jìn)電機(jī)，最小步進(jìn)角7.5度，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分原理，可使最小步進(jìn)角變?yōu)?.75度。四相電機(jī)常見的運(yùn)行方式為四相四拍和四相八拍，四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA時(shí)電機(jī)為正轉(zhuǎn)，改變通電時(shí)序?yàn)镈A-CD-BC-AB時(shí)電機(jī)則為反轉(zhuǎn).

3.步進(jìn)電機(jī)升降速曲線設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止的時(shí)候，一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率比較低，而要求的運(yùn)行速度往往比較高，如果系統(tǒng)以要求的運(yùn)行速度直接啟動(dòng)，因?yàn)樵撍俣纫呀?jīng)超過極限啟動(dòng)頻率而不能正常啟動(dòng)，起則發(fā)生丟步，重則根本不能啟動(dòng)，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)后，如果達(dá)到終點(diǎn)時(shí)立即停止發(fā)送脈沖，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性的作用，步進(jìn)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)過控制器所希望的平衡位置，為了克服步進(jìn)失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)該在啟動(dòng)停止時(shí)加入適當(dāng)?shù)募訙p速控制。步進(jìn)電機(jī)常用的升降頻加減速控制方法有4種：

3.1.直線升降頻

電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí),其運(yùn)動(dòng)過程是首先以一定的加速度加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)速度達(dá)到指定的速度時(shí),開始勻速運(yùn)動(dòng)，減速時(shí),以一定的加速度減速運(yùn)動(dòng)到指定的速度后勻速運(yùn)動(dòng)或停下來(lái)。在步進(jìn)電機(jī)升速過程中,直線規(guī)律速度控制是加速度保持一個(gè)恒定值不變,速度以直線規(guī)律上升，該種加減速方法快速性較好,控制方法計(jì)算簡(jiǎn)單, 所以適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢且對(duì)升降速過程要求不高的場(chǎng)合。將影響電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命,這種方法是以恒定的加速度進(jìn)行升降，平穩(wěn)性好，適用于速度變化較大的快速定位方式。加速時(shí)間雖然長(zhǎng)，但軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。

以往研究表明,步進(jìn)電機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)下可以按預(yù)期的目標(biāo)升降速,但是反映出過沖量大，穩(wěn)定性差，噪音大的現(xiàn)象。所以在短距離的步進(jìn)電機(jī)加減速控制中不適合采用該方法。同時(shí),由于這種速度控制方法的加速度是恒定的,其缺點(diǎn)是未充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨速度變化的特性,步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)會(huì)發(fā)生失步"因此,除部分特殊場(chǎng)合,線性規(guī)律控制已逐步退出歷史的舞臺(tái)。

3.2.階梯曲線升降頻

將步進(jìn)電機(jī)的升降過程離散為一個(gè)不連續(xù)的區(qū)間,控制器件所發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖受階梯函數(shù)的控制,即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速每躍升1個(gè)臺(tái)階后,恒速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間,通過反饋機(jī)制比較當(dāng)前速度與目標(biāo)速度是否一致,若不一致則相應(yīng)的加或減一個(gè)脈沖檔位，這種方法的缺點(diǎn)是在恒速階段沒有加速,未充分利用步進(jìn)電機(jī)的加速性能,而且在高頻段加速臺(tái)階高,步進(jìn)電機(jī)在速度越階時(shí)會(huì)發(fā)生失步。

3.3.指數(shù)曲線升降頻

指數(shù)規(guī)律加減速是指在加減速過程控制中,步進(jìn)電機(jī)的速度是指數(shù)規(guī)律上升或下降的。開始加速度最大,并且隨著速度的升高而逐漸減小,速度上升得越來(lái)越慢。當(dāng)速度上升至最高值時(shí),加速度降低至最小,理想情況下應(yīng)接近于0，用指數(shù)規(guī)律加減速能充分保證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性,同時(shí)兼顧了升降運(yùn)行快速性。事實(shí)上,用指數(shù)規(guī)律加減速完全可以滿足短距離步進(jìn)控制的要求。它符合步進(jìn)電機(jī)加減速過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性能較好，升降時(shí)間短。指數(shù)升降控制具有較強(qiáng)的跟蹤能力，但當(dāng)速度變化較大時(shí)平衡性較差。

3.4.拋物線升降頻

拋物線升降頻將直線升降頻和指數(shù)曲線升降頻融為一體，充分利用步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時(shí)間大大縮短，同時(shí)又具有較強(qiáng)的跟蹤能力，這是一種比較好的方法，拋物線升降頻很適合步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。但這種升降頻算法的軟件開銷比較大，算法比較復(fù)雜，控制器處理的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

4.結(jié)束語(yǔ)

步進(jìn)電機(jī)因其有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著科技的發(fā)展，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的智能化控制要求也將越來(lái)越高，我們也有必要對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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