基于單片機控制的步進電機自適應細分調(diào)速方法研究

彭延鑫

（湖南應用技術學院 湖南 常德 415000）

引言

該領域的實驗人員把步進電機的啟動和停止的控制方法作為研究重點。單片機屬于集成式電路芯片，主要利用大規(guī)模的集成電路技術發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理屬性，將中心處理器和存儲器的功能集中于硅片，建立完善的計算機系統(tǒng)[1]。步進電機調(diào)速控制主要控制其自動加速、減速控制，屬于步進電機變速的基本方式，更適應于位置控制。在此，以單片機控制技術中的優(yōu)勢，分析應用單片機時的出現(xiàn)的問題，進行自適應細分調(diào)速研究。

1 基于單片機設計控制的步進電機自適應調(diào)速細分方法

1.1 步進電機自適應細分調(diào)速離散化處理

結合步進電機在運轉時的優(yōu)勢，可將控制速度分為加速、減速、勻速三種不同檔位，制作不同調(diào)速檔位的曲線設計圖。如圖一所示，橫坐標代表步進電機工作時間，用t表示，以秒（s）為時間單位；縱坐標代表步進電機工作的頻率，以脈沖/s、步/s為單位。步進電機起步工作的頻率用f0表示，控制電機速度，使其以一定的加速度開始加速運轉，運轉到第一個T1時刻時該電機的運動頻率為fk，此時運動頻率最高。此時進行勻速運轉，到達時間為T2，再以一定的加速度進行減速運轉，此時的運動方向為反向運動，到達Te時使電機停止運轉，在Te+Ts到2Te+Ts這段時間內(nèi)，電機按照上述運轉方式繼續(xù)工作[2]。

步進電機在運轉使，所有的加速階段都是線性的加速過程，因此在此階段，時間和頻率的系可以用公式（1）：表示，其中f代表步進電機運轉的頻率，代表步進電機運轉的起始頻率，a代表步進電機到達最高頻率時的加速度，t代表步進電機運轉時加速的時長[3]。

該研究利用單片機的控制方式調(diào)節(jié)其速度，在對電機進行加速控制時，本質(zhì)是利用變化的定式裝置中裝載數(shù)量進行控制。為了滿足單片機字長以及編程的便利性，使用離散法將電機的調(diào)速進行離散處理，將每一步長的計算過程進行簡化。在進行研究時，應該將步進電機的運轉速度看作分檔運轉的模式，每一檔在運轉使都要停留一段時間。為了實現(xiàn)步進電機自適應的控制需求，應該在研究中應用到高頻低細分、低頻高細分的模式。例如，電機的脈沖頻率在0—30之間時，可將其細分為128個狀態(tài)；當頻率在30—80之間時，可細分為64個狀態(tài)。當電機以某一速度勻速運轉了幾個脈沖后，可將其上升到另一檔位，以此來協(xié)調(diào)電機在運轉時內(nèi)部轉子由于轉動慣量出現(xiàn)滯后問題，減小調(diào)速時電機局部速度的誤差。

1.2 基于單片機控制的步進電機調(diào)速定時常數(shù)確定

該研究的調(diào)速方法時利用單片機對步進電機實施加速或減速控制，本質(zhì)上時利用步進電機自愛脈沖輸出是的時間變化來控制其運轉速度。該方法中的重要步驟是利用單片機的控制條件，分析步進電機調(diào)速的常數(shù)。根據(jù)上述的研究，可知控制時的定時器在步進電機每一檔位的速度周期Mi可用公式（2）表示為：= 。在公式（2）中，Mi代表電機每一檔位上升速度的定時周期；fi代表每一檔位的運轉頻率；i代表電機運轉的某一檔位；ΔT代表相鄰兩檔位速度變化時間間隔。由于在應用中應該結合單片機中中央處理器字長問題和實際應用控制調(diào)速的需求，可設計多個檔位事先 步進電機運轉啟動、加速、減速控制[4]。在實施調(diào)速工作后，應該確定每一檔位的具體步驟，在步缺少步驟的前提下，讓電機以最快的速度進行運轉，保證在運轉時不出現(xiàn)噪音，以噪音大小作為衡量標準。

2 細分自適應系統(tǒng)的軟件設計

步進電機驅(qū)動系統(tǒng)軟件主要由主程序、外部中斷子程序和維護程序構成。

主系統(tǒng)控制所有程序的流程，最先檢驗也就能和脈沖信號是不是同時有效無效則循環(huán)等候；有效則根據(jù)單片機設計內(nèi)部的計時器計量輸入脈沖信號周期時間，計算出來脈沖頻率f，另外啟用外部中斷程序IN，明確步進電機的運作情況，輸入適合的階梯波控制電流，驅(qū)動步進電機工作。外部中斷子程序是所有軟件部分的核心。其工作過程入下：

（1）載入單片機內(nèi)部計時器數(shù)據(jù)信息；

（2）將獲取數(shù)據(jù)與設置數(shù)據(jù)信息比較，明確步進電機細分計步m；

（3）檢驗方位控制數(shù)據(jù)信號，依據(jù)m和方位數(shù)據(jù)信號測算出階梯波繞阻電流量數(shù)據(jù)信息的查表偏移量；

（4）查表，讀取并傳送數(shù)據(jù)，驅(qū)動步進電機工作。

為了同時滿足雷達伺服系統(tǒng)高、低頻的控制要求，程序流程選用低頻高細分、高頻低細分、“細分自應式”的程序編寫策略，輸入脈沖頻率f與細分狀態(tài)m對應關系如圖4.只需輸入脈沖頻率f更改，系統(tǒng)會自動判斷脈沖頻率所在的細分情況范圍，進而明確電機新的運作方式。同時，更改階梯波數(shù)據(jù)信息的輸入方法，輸入一個脈沖，勻稱輸入m個數(shù)據(jù)信息，驅(qū)動電機勻稱前行m步，以確保電動機在變換細分情況時，轉速穩(wěn)定，防止失步越步狀況影響系統(tǒng)工作。

3 結語

綜上所示，結合電力市場發(fā)展趨勢，為步進電機的運動速度提出了新的需求。即使此項研究在應用過程中成效頗高，但仍具有較多缺陷，缺乏實踐無法探究驗證的有效性。因此，在后續(xù)的研究中，應該適當結合C語言編程，設計新型的單片機控制方案，以縮減研究周期為工作目標，增加單片機的移植效果，提升設備的穩(wěn)定性、安全性，以此來滿足市場需求。