步進(jìn)電機(jī)的自動化控制探究

李志峰

【摘要】在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向是由其驅(qū)動脈沖信號決定的，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、步數(shù)精確等特點(diǎn)。所以，在快速啟動或急停方面，它比普通的電機(jī)更穩(wěn)定、高效。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī) 自動化控制

一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)的類型有很多，依據(jù)不同的原理可以分為反應(yīng)式、永磁式、混合式等。不同種類的步進(jìn)電機(jī)通過使用不同的工作原理，來實現(xiàn)一樣的制動動力，最后實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)以固定的旋轉(zhuǎn)角為基本步長的動力類型，不同的步進(jìn)電機(jī)步距角不同。一般常用的混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組組成電磁鐵、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度，根據(jù)磁鐵的南北極中異極相吸同極相斥的原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的角度變化。混合式步進(jìn)電機(jī)其特點(diǎn)是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)有兩個繞組，步距角為1.8°或0.9°，一個周期為四拍AA—BB —AA—BB。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動為跳躍式轉(zhuǎn)動，一般為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)需對轉(zhuǎn)動步拍進(jìn)行細(xì)分，步進(jìn)電機(jī)配合合適的驅(qū)動器可實現(xiàn)256倍細(xì)分及其以上。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制其實是恒流控制，實現(xiàn)細(xì)分就是將恒流進(jìn)行可調(diào)，換拍時電流逐漸過渡。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部為線圈，線圈產(chǎn)生電感，為了實現(xiàn)電感的快速充放電，驅(qū)動電壓原則上越高對步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)越好。由于步進(jìn)電機(jī)的電感存在充放電的時間，因此步進(jìn)電機(jī)的切換步拍不能過快，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度較其他類型電機(jī)較慢。

二、步進(jìn)電機(jī)的變頻調(diào)速

雖然步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、轉(zhuǎn)速容易控制的特點(diǎn)，但是在實際運(yùn)行中不僅電動機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從轉(zhuǎn)動到停止時，要經(jīng)歷升速、恒速和減速的過程。如果啟動時一次將速度升到給定速度，因為啟動頻率超過極限啟動頻率fq，見圖1，步進(jìn)電機(jī)容易發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成無法正常啟動，若到達(dá)點(diǎn)時突然停下來，由于慣性的作用，步進(jìn)電機(jī)會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行效率，因此，對步進(jìn)電機(jī)的加減速根據(jù)負(fù)載要有嚴(yán)格的要求。

為保證步進(jìn)電機(jī)在不失步和不過沖的前提下，用最快的速度移動到指定的地方，本文提出了一種基于STM32控制的步進(jìn)電機(jī)加減速離散控制方法。

采用STM32對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的頻率。脈沖頻率的產(chǎn)生可采用軟件和硬件兩種方法。軟件方法依靠程序延時或定時中斷來改變脈沖輸出的頻率，程序延時的延時時間無法保證，定時中斷的方式對于高細(xì)分控制及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)控制時，定時中斷頻率有時達(dá)到200kHz的中斷，對系統(tǒng)資源占用較大。硬件方法是依靠STM32內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的，修改定時器產(chǎn)生的PWM頻率實現(xiàn)脈沖的輸出。一般對于開環(huán)控制中，需要記錄輸出的脈沖個數(shù)用以推算電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，因此可以采用STM32中另外一個定時器，以產(chǎn)生PWM的定時器輸出脈沖作為該定時器的時鐘輸入。一般在步進(jìn)電機(jī)自動化控制中，產(chǎn)生PWM的定時器的數(shù)據(jù)更新頻率在50Hz到100Hz，這樣可以實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的快速響應(yīng)、加減速平穩(wěn)及較少的系統(tǒng)資源占用。每次定時器裝載值數(shù)據(jù)更新中，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)所需的加速度曲線計算合適的定時器裝載值。

三、步進(jìn)電機(jī)的自動化控制

步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、步數(shù)精確等特點(diǎn)。步進(jìn)電機(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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。

由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，主要連續(xù)地對定子進(jìn)行有序的固定時長的通電，那么步進(jìn)電機(jī)就會依據(jù)一定的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動。如果改變通電時間間隔，那么步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的每一步之間的時間間隔就會發(fā)生變化，如果對定子通電的順序發(fā)生變化，那么轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向就會發(fā)生變化，對外界產(chǎn)生的動力也就隨之產(chǎn)生變化。

目前自動化控制中，STM32使用率較高。STM32價格較低，性能高，芯片自身外部資源較多，穩(wěn)定性好，已完全取代51單片機(jī)的歷史。對于步進(jìn)電機(jī)的自動化控制，主要思想是通過STM32生成穩(wěn)定的脈沖信號，通過脈沖信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的通電狀態(tài)來實現(xiàn)其自動化控制，而人為地通過編程，來控制脈沖信號的頻率、占空比以及其他特性，來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、步長時間的有效控制。

一般簡單的自動化控制中，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動可以采用64細(xì)分的THB6064AH芯片，THB6064步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片存在集成度較高，性能穩(wěn)定，接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。

嵌入式軟件流程邏輯設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的控制，最終是通過定時器生成數(shù)字脈沖信號來實現(xiàn)，而定時器生成脈沖信號，則是通過人為的編程來實現(xiàn)，按照步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，可以為STM32進(jìn)行編程。

嵌入式軟件流程設(shè)計，目標(biāo)是為了配合硬件電路，生成脈沖信號實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。首先，對STM32內(nèi)部的各個外設(shè)進(jìn)行初始化設(shè)置，如對連接THB6064芯片的端口設(shè)置成數(shù)據(jù)輸出端口，并對定時器進(jìn)行初始化操作，使處在工作狀態(tài)，然后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作需求，發(fā)送控制脈沖，使其工作。

步進(jìn)電機(jī)的自動化控制，主要是通過STM32生成脈沖信號，通過THB6064芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)自動旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生動力，所以在實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動化控制系統(tǒng)時，需要設(shè)計相應(yīng)的硬件電路，使THB6064芯片連接步進(jìn)電機(jī)，并且編程，通過定時器實現(xiàn)脈沖信號生成，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

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