步進(jìn)電機(jī)的加減速控制芯片設(shè)計(jì)

　　步進(jìn)電機(jī)(脈沖電動(dòng)機(jī))是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件，其可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有瞬間啟動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。步進(jìn)電機(jī)在各種應(yīng)用場(chǎng)合下最大的優(yōu)勢(shì)是：可以開(kāi)環(huán)方式控制而無(wú)需反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制，但也正是因?yàn)樨?fù)載位置對(duì)控制電路沒(méi)有反饋，步進(jìn)電機(jī)就必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠移到新的位置，那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過(guò)沖現(xiàn)象。因此步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過(guò)沖是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　本設(shè)計(jì)使用SPMC75F2413A作為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器。SPMC75F2413A是μ’nSPTM系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。本設(shè)計(jì)中由SPMC75F2413產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路使用由Allergo公司生產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器SLA7042M構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

　　1 步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理

　　S曲線加減速將傳統(tǒng)的3段加減速過(guò)程變?yōu)?段加減速過(guò)程，形成S字形，如圖1所示。加速段由加加速度段(T1)、勻加速度段(T2)、減加速度段(T3)組成;減速段由加減速度段(T5)、勻減速度段(T6)、減減速度段(T7)組成;而勻速段為(T4)。

　　在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，給一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，如輸人為脈沖數(shù)N，在規(guī)定的時(shí)間T內(nèi)，其頻率即為f。驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率f隨時(shí)間t有：

　　式中，fm為步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)頻率，τ是決定升速快慢的時(shí)間常數(shù)，實(shí)際工作中可由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，已知系統(tǒng)達(dá)到勻速時(shí)的速度和系統(tǒng)達(dá)到最大速度所用的時(shí)間。

　　本系統(tǒng)使用單片機(jī)定時(shí)中斷方式控制步進(jìn)電機(jī)的速度，在升降速控制時(shí)，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器的裝載值的大小。

　　將升速過(guò)程離散處理，在設(shè)計(jì)中將加速時(shí)間固定為T=T1+T2+T3，為使說(shuō)明方便，令T2=0。這時(shí)加速段由3個(gè)變?yōu)?個(gè)，即加加速段與減加速段。將T等分為40個(gè)時(shí)間相同的時(shí)間段，即將加加速時(shí)間T1分為20等分，將加減速時(shí)間T3分為20等分。則兩次速度變化的間隔時(shí)間為△t=T/40，則每一檔的頻率可由式(1)計(jì)算得出，在每一檔頻率下步進(jìn)電機(jī)所執(zhí)行的步數(shù)也可通過(guò)計(jì)算得出。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

　　圖2中，SPMC75F2413A是一款

　　系列產(chǎn)品的16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在4.5-5.5 V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度為0-24 MHz，擁有2 K字SRAM和32 K字閃存ROM;IOA～I(xiàn)OD4組64位可編程I/O端口，5個(gè)通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。該系統(tǒng)采用S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0～I(xiàn)OB3位作為控制信號(hào)的輸出端口，IOB4位作為光電傳感器的輸入端口。

　　步進(jìn)電機(jī)易于與數(shù)字電路接口，但一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)給電機(jī)繞組提供特定的激磁電流，告訴電機(jī)需要運(yùn)行多少微步。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在整步模式時(shí)，因?yàn)閯偤门c電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)相吻合。此時(shí)定轉(zhuǎn)子齒正好完全對(duì)齊，且繞組中流過(guò)的電流最大，步距角也最大。隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，步矩角相應(yīng)減小。

　　該系統(tǒng)采用Allergo公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器SLA7042M，其本質(zhì)上是利用數(shù)字量輸入控制輸出電流，其內(nèi)部的2個(gè)4 bit的移位寄存器分別接收由SerialData引腳輸入的電機(jī)相位信息和激磁電流比例數(shù)據(jù)。該4 bit的移位寄存器的第l位先載入相位信息，接著依次串行載入激磁電流比例數(shù)據(jù)的最低位，次低位，最后載入最高位。驅(qū)動(dòng)部分電路如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　通過(guò)式(1)可計(jì)算出每個(gè)頻率檔的頻率以及在該檔內(nèi)步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)，將這40個(gè)檔的頻率以及各個(gè)檔內(nèi)所走的步數(shù)分別存入2個(gè)數(shù)組變量。該系統(tǒng)軟件程序首先判斷步進(jìn)電機(jī)是否能達(dá)到最大速度。當(dāng)規(guī)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)少時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不能達(dá)到最大速度，速度就要開(kāi)始下降。這時(shí)首先應(yīng)求出升速所能達(dá)到的步數(shù)和頻率，及降速所能達(dá)到的步數(shù)和頻率。而減速過(guò)程和加速過(guò)程正好相反，即就是將2個(gè)數(shù)組中存入的數(shù)據(jù)，按相反順序輸出。圖4為步進(jìn)電機(jī)S曲線加減速軟件流程。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　使用凌陽(yáng)SPMC75F2413A單片機(jī)，采用S曲線增減速的方法有效控制了步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程中容易產(chǎn)生的失步及過(guò)沖現(xiàn)象。該控制方法有效、實(shí)用，已在數(shù)控切削系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，結(jié)果穩(wěn)定可行。