步進電機的自動化控制探究

李志峰

【摘要】在機電產品中，步進電機的運轉速度和運轉方向是由其驅動脈沖信號決定的，步進電機具有結構簡單、運行可靠、步數精確等特點。所以，在快速啟動或急停方面，它比普通的電機更穩定、高效。

【關鍵詞】步進電機 自動化控制

一、步進電機的工作原理

步進電機的類型有很多，依據不同的原理可以分為反應式、永磁式、混合式等。不同種類的步進電機通過使用不同的工作原理，來實現一樣的制動動力，最后實現了步進電機以固定的旋轉角為基本步長的動力類型，不同的步進電機步距角不同。一般常用的混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組組成電磁鐵、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度，根據磁鐵的南北極中異極相吸同極相斥的原理實現轉動的角度變化。混合式步進電機其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。兩相混合式步進電機有兩個繞組，步距角為1.8°或0.9°，一個周期為四拍AA—BB —AA—BB。步進電機轉動為跳躍式轉動，一般為了實現轉動平穩需對轉動步拍進行細分，步進電機配合合適的驅動器可實現256倍細分及其以上。

步進電機的驅動控制其實是恒流控制，實現細分就是將恒流進行可調，換拍時電流逐漸過渡。步進電機內部為線圈，線圈產生電感，為了實現電感的快速充放電，驅動電壓原則上越高對步進電機的動態響應越好。由于步進電機的電感存在充放電的時間，因此步進電機的切換步拍不能過快，步進電機轉動速度較其他類型電機較慢。

二、步進電機的變頻調速

雖然步進電機具有快速啟停能力強、準確度高、轉速容易控制的特點，但是在實際運行中不僅電動機驅動執行機構從轉動到停止時，要經歷升速、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，步進電機容易發生失步現象，因此會造成無法正常啟動，若到達點時突然停下來，由于慣性的作用，步進電機會產生過沖現象，影響了執行機構的執行效率，因此，對步進電機的加減速根據負載要有嚴格的要求。

為保證步進電機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控制的步進電機加減速離散控制方法。

采用STM32對步進電機進行加減速控制，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分控制及高速運轉的步進電機控制時，定時中斷頻率有時達到200kHz的中斷，對系統資源占用較大。硬件方法是依靠STM32內部的定時器來實現的，修改定時器產生的PWM頻率實現脈沖的輸出。一般對于開環控制中，需要記錄輸出的脈沖個數用以推算電機的旋轉角度，因此可以采用STM32中另外一個定時器，以產生PWM的定時器輸出脈沖作為該定時器的時鐘輸入。一般在步進電機自動化控制中，產生PWM的定時器的數據更新頻率在50Hz到100Hz，這樣可以實現步進電機的快速響應、加減速平穩及較少的系統資源占用。每次定時器裝載值數據更新中，根據步進電機所需的加速度曲線計算合適的定時器裝載值。

三、步進電機的自動化控制

步進電機具有結構簡單、運行可靠、步數精確等特點。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。

由步進電機的工作原理可以知道，主要連續地對定子進行有序的固定時長的通電，那么步進電機就會依據一定的旋轉角度和旋轉方向進行轉動。如果改變通電時間間隔，那么步進電機旋轉的每一步之間的時間間隔就會發生變化，如果對定子通電的順序發生變化，那么轉子的旋轉方向就會發生變化，對外界產生的動力也就隨之產生變化。

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，穩定性好，已完全取代51單片機的歷史。對于步進電機的自動化控制，主要思想是通過STM32生成穩定的脈沖信號，通過脈沖信號驅動步進電機的通電狀態來實現其自動化控制，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，來實現對步進電機的旋轉方向、步長時間的有效控制。

一般簡單的自動化控制中，步進電機的驅動可以采用64細分的THB6064AH芯片，THB6064步進電機驅動芯片存在集成度較高，性能穩定，接口簡單等優點。

嵌入式軟件流程邏輯設計步進電機的控制，最終是通過定時器生成數字脈沖信號來實現，而定時器生成脈沖信號，則是通過人為的編程來實現，按照步進電機控制系統的運轉邏輯，可以為STM32進行編程。

嵌入式軟件流程設計，目標是為了配合硬件電路，生成脈沖信號實現對步進電機的控制。首先，對STM32內部的各個外設進行初始化設置，如對連接THB6064芯片的端口設置成數據輸出端口，并對定時器進行初始化操作，使處在工作狀態，然后根據步進電機的工作需求，發送控制脈沖，使其工作。

步進電機的自動化控制，主要是通過STM32生成脈沖信號，通過THB6064芯片驅動步進電機自動旋轉，進而產生動力，所以在實現步進電機的自動化控制系統時，需要設計相應的硬件電路，使THB6064芯片連接步進電機，并且編程，通過定時器實現脈沖信號生成，進而控制步進電機運轉。

參考文獻：

[1]康永澤.步進電機控制的教學探究[J].山東工業技術，2015，（01）.

[2]張玉勇.步進電機自動化控制系統[J].科技與創新，2014，（03）.