步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)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(dòng)脈沖信號(hào)決定的，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、步數(shù)精確等特點(diǎn)。所以，在快速啟動(dòng)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(dòng)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(guò)使用不同的工作原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)一樣的制動(dòng)動(dòng)力，最后實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)以固定的旋轉(zhuǎn)角為基本步長(zhǎng)的動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)繞組，步距角為1.8°或0.9°，一個(gè)周期為四拍AA—BB —AA—BB。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)為跳躍式轉(zhuǎn)動(dòng)，一般為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)需對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)步拍進(jìn)行細(xì)分，步進(jìn)電機(jī)配合合適的驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)256倍細(xì)分及其以上。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制其實(shí)是恒流控制，實(shí)現(xiàn)細(xì)分就是將恒流進(jìn)行可調(diào)，換拍時(shí)電流逐漸過(guò)渡。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部為線圈，線圈產(chǎn)生電感，為了實(shí)現(xiàn)電感的快速充放電，驅(qū)動(dòng)電壓原則上越高對(duì)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)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(shí)間，因此步進(jìn)電機(jī)的切換步拍不能過(guò)快，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)際運(yùn)行中不僅電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從轉(zhuǎn)動(dòng)到停止時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速的過(guò)程。如果啟動(dòng)時(shí)一次將速度升到給定速度，因?yàn)閱?dòng)頻率超過(guò)極限啟動(dòng)頻率fq，見(jiàn)圖1，步進(jìn)電機(jī)容易發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會(huì)造成無(wú)法正常啟動(dòng)，若到達(dá)點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái)，由于慣性的作用，步進(jìn)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象，影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行效率，因此，對(duì)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(guò)沖的前提下，用最快的速度移動(dòng)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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)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(shí)或定時(shí)中斷來(lái)改變脈沖輸出的頻率，程序延時(shí)的延時(shí)時(shí)間無(wú)法保證，定時(shí)中斷的方式對(duì)于高細(xì)分控制及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)，定時(shí)中斷頻率有時(shí)達(dá)到200kHz的中斷，對(duì)系統(tǒng)資源占用較大。硬件方法是依靠STM32內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，修改定時(shí)器產(chǎn)生的PWM頻率實(shí)現(xiàn)脈沖的輸出。一般對(duì)于開(kāi)環(huán)控制中，需要記錄輸出的脈沖個(gè)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(gè)定時(shí)器，以產(chǎn)生PWM的定時(shí)器輸出脈沖作為該定時(shí)器的時(shí)鐘輸入。一般在步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制中，產(chǎn)生PWM的定時(shí)器的數(shù)據(jù)更新頻率在50Hz到100Hz，這樣可以實(shí)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(shí)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(jì)算合適的定時(shí)器裝載值。

三、步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制

步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)定子進(jìn)行有序的固定時(shí)長(zhǎng)的通電，那么步進(jìn)電機(jī)就會(huì)依據(jù)一定的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如果改變通電時(shí)間間隔，那么步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的每一步之間的時(shí)間間隔就會(huì)發(fā)生變化，如果對(duì)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(huì)發(fā)生變化，對(duì)外界產(chǎn)生的動(dòng)力也就隨之產(chǎn)生變化。

目前自動(dòng)化控制中，STM32使用率較高。STM32價(jià)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(duì)于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制，主要思想是通過(guò)STM32生成穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的通電狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制，而人為地通過(guò)編程，來(lái)控制脈沖信號(hào)的頻率、占空比以及其他特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、步長(zhǎng)時(shí)間的有效控制。

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

嵌入式軟件流程邏輯設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制，最終是通過(guò)定時(shí)器生成數(shù)字脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而定時(shí)器生成脈沖信號(hào)，則是通過(guò)人為的編程來(lái)實(shí)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(jì)，目標(biāo)是為了配合硬件電路，生成脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。首先，對(duì)STM32內(nèi)部的各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化設(shè)置，如對(duì)連接THB6064芯片的端口設(shè)置成數(shù)據(jù)輸出端口，并對(duì)定時(shí)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(dòng)化控制，主要是通過(guò)STM32生成脈沖信號(hào)，通過(guò)THB6064芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力，所以在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)計(jì)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(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)生成，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

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