基于單片機步進電機速度控制研究

江洋

摘要：本文對步進機一個全面的介紹，再基于單片機對步進電機的控制。本文采用硬件控制系統(tǒng)，通過單片機MC9S12XS128與光電編碼器對步進電機進行速度的控制。最后對步進電機的速度曲線進行研究。

關(guān)鍵詞：步進機 單片機 光電編碼器

步進電機又稱為脈沖電動機或者階躍電動機，作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)之中，比如當今電子鐘表、工業(yè)機械手、包裝機械和汽車制動元件的測試中等。步進電機在未來應(yīng)用前景會往更加小型化、從圓形電動機往方形電動機和四相、五相往三相電動機發(fā)展。而這便需要對步進電機的控制提出了更高的要求。

1.步進電機綜合介紹

1.1.步進電機分類

步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(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)式和混合式步進電機。

1.1.1.反應(yīng)式步進電機

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

1.1.2.永磁式步進電機

永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。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，步進角一般為7.5度或15度。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小，但啟動運行頻率較低，還需正負脈沖供電。

1.1.3.混合式步進電機

混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點。它分為兩相和五相，兩相的步進角一般為1.8度，而五相的步進角為0.72度?；旌鲜脚c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，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。

目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機。

1.2.步進電機的工作原理

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移增量，也即是說，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，便驅(qū)動電機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一定的角位移量。我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制步進電機的角位移量，通過控制脈沖的頻率來控制速度與加速度。

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

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

2.步進電機控制系統(tǒng)的研究

2.1.脈沖控制的方法

實現(xiàn)脈沖的分配的方法有兩種：軟件法和硬件法。軟件法在電機運行的過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了CPU大量的時間，可能會使單片機無法進行其它工作，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)計的研究

良好的驅(qū)動系統(tǒng)方案能強有力的支撐步進電機升降速曲線的設(shè)計。控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就能夠驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數(shù)相關(guān)。步進電機停止旋轉(zhuǎn)時，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài)：制動加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩（通常稱為剎車保持，無需電磁制動或機械制動）及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（能夠被外部推力帶動輕松旋轉(zhuǎn)）。步進電機驅(qū)動器，必須與步進電機的型號相匹配。否則，將會損壞步進電機及驅(qū)動器。電機驅(qū)動系統(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、步進電機驅(qū)動電路、單片機最小系統(tǒng)板電路支撐軟件平臺。

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，帶有錯誤校正功能（ECC）；

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

(4) 可配置 8 、10 或 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時間 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-位計數(shù)器的、8-通道定時器；

(7) 出色的 EMC，及運行和停止省電模式。

電機驅(qū)動電路的設(shè)計采用ULN2003芯片，ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成，其工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

基于步進電機升降速曲線的設(shè)計選用四相五線步進電機，最小步進角7.5度，通過電機驅(qū)動細分原理，可使最小步進角變?yōu)?.75度。四相電機常見的運行方式為四相四拍和四相八拍，四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時電機為正轉(zhuǎn)，改變通電時序為DA-CD-BC-AB時電機則為反轉(zhuǎn).

3.步進電機升降速曲線設(shè)計

步進電機啟動和停止的時候，一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高，如果系統(tǒng)以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已經(jīng)超過極限啟動頻率而不能正常啟動，起則發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行起來后，如果達到終點時立即停止發(fā)送脈沖，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性的作用，步進電機會轉(zhuǎn)過控制器所希望的平衡位置，為了克服步進失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)該在啟動停止時加入適當?shù)募訙p速控制。步進電機常用的升降頻加減速控制方法有4種：

3.1.直線升降頻

電機運動時,其運動過程是首先以一定的加速度加速運動,當速度達到指定的速度時,開始勻速運動，減速時,以一定的加速度減速運動到指定的速度后勻速運動或停下來。在步進電機升速過程中,直線規(guī)律速度控制是加速度保持一個恒定值不變,速度以直線規(guī)律上升，該種加減速方法快速性較好,控制方法計算簡單, 所以適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢且對升降速過程要求不高的場合。將影響電機和機械系統(tǒng)的使用壽命,這種方法是以恒定的加速度進行升降，平穩(wěn)性好，適用于速度變化較大的快速定位方式。加速時間雖然長，但軟件實現(xiàn)比較簡單。

以往研究表明,步進電機處于負載狀態(tài)下可以按預(yù)期的目標升降速,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電機加減速控制中不適合采用該方法。同時,由于這種速度控制方法的加速度是恒定的,其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性,步進電機在高速時會發(fā)生失步"因此,除部分特殊場合,線性規(guī)律控制已逐步退出歷史的舞臺。

3.2.階梯曲線升降頻

將步進電機的升降過程離散為一個不連續(xù)的區(qū)間,控制器件所發(fā)出的驅(qū)動脈沖受階梯函數(shù)的控制,即步進電機的轉(zhuǎn)速每躍升1個臺階后,恒速運轉(zhuǎn)一段時間,通過反饋機制比較當前速度與目標速度是否一致,若不一致則相應(yīng)的加或減一個脈沖檔位，這種方法的缺點是在恒速階段沒有加速,未充分利用步進電機的加速性能,而且在高頻段加速臺階高,步進電機在速度越階時會發(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,步進電機的速度是指數(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,速度上升得越來越慢。當速度上升至最高值時,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電機的運行穩(wěn)定性,同時兼顧了升降運行快速性。事實上,用指數(shù)規(guī)律加減速完全可以滿足短距離步進控制的要求。它符合步進電機加減速過程的運動規(guī)律，能充分利用步進電機的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性能較好，升降時間短。指數(shù)升降控制具有較強的跟蹤能力，但當速度變化較大時平衡性較差。

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，充分利用步進電機低速時的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時間大大縮短，同時又具有較強的跟蹤能力，這是一種比較好的方法，拋物線升降頻很適合步進電機的加減速控制。但這種升降頻算法的軟件開銷比較大，算法比較復(fù)雜，控制器處理的時間相對較長。

4.結(jié)束語

步進電機因其有其獨特的優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中。隨著科技的發(fā)展，對步進電機的智能化控制要求也將越來越高，我們也有必要對它進行進一步的研究。

5.參考文獻

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