基于PIC單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PIC單片機(jī)；自適應(yīng)控制技術(shù)；位置控制
中圖分類號(hào)：TD679；TP273；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Application Study of Adaptive Control of Stepping Motor Based on PIC MCU
HU Jun-da HU Hui HUANG Wang-jun
(Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101， China)
Abstract:Stepping motor is used widely in industry and household field as driving executive unit.The paper studies the driving control of stepping motor used adaptive control,and builds the microcomputer control system used PIC16F877 MCU as kernel.At the same time the paper discusses analyses and compares the different control scheme to stepping motor.
Keywords:stepping motor;PIC MCU;adaptive control;position control

1、引言
步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著緊密的本質(zhì)的聯(lián)系。步進(jìn)電機(jī)亦是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（又稱之為步進(jìn)角），為此可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。從以上所述可知，步進(jìn)電機(jī)是可以用脈沖信號(hào)直接進(jìn)行定位控制，由于其具有一定的精度，且控制線路簡(jiǎn)單，使用方便、可靠；因此它廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（掃描儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)）、照相機(jī)（包括光學(xué)照相機(jī)與數(shù)碼照相機(jī)），投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、放像機(jī)（VCD、DVD等）、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器械、條碼掃描儀以及各種可控機(jī)械工具等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時(shí)也對(duì)步時(shí)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了更高的要求。本文就采用當(dāng)前流行的PIC單片機(jī)來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制以及自適應(yīng)控制技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和討論。

2、自適應(yīng)控制原理
2.1系統(tǒng)原理框圖
圖1所示為模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖。從圖中我們可以看出與典型的反饋控制系統(tǒng)的不同之處是在圖1中增加了參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)偏差信號(hào)e（t）=x（t）-y（t）進(jìn)入自適應(yīng)控制回路后，經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生準(zhǔn)實(shí)時(shí)的調(diào)整作用，從而改變控制器的參數(shù)，使得x（t）-y（t）=e（t）趨向和直至等于零，此時(shí)自適應(yīng)控制調(diào)整控制器參數(shù)過(guò)程完成。


圖1自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖
2.2 基于PIC單片機(jī)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制
采用PIC單片機(jī)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖2所示。


圖2基于PIC單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)組成框圖
系統(tǒng)的參考模型、自適應(yīng)控制器等算法及參數(shù)調(diào)整都由軟件程序完成，模擬量r（t）等都需經(jīng)過(guò)模數(shù)變換器A/D口送入單片微處理器中，而由微處理器產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)I/O口經(jīng)功率放大器去直接控制對(duì)象的驅(qū)動(dòng)。在本文中所采用的PIC單片機(jī)為PIC16F877型。PIC16F877單片機(jī)為40引腳微處理器，其除了具有PIC系列單片機(jī)的共同特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：（1）振蕩頻率達(dá)（DC）20MHz；（2）有4KB的FLASH程序存儲(chǔ)器（14位）；（3）128字節(jié)的E2PROM數(shù)據(jù)區(qū)；（4）192字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；（5）33條I/O線；（6）3個(gè)定時(shí)器；（7）8路10位A/D口通道；（8）2個(gè)PWM輸出口。由于PIC16F877已在片中集成了這么多的外圍設(shè)備，可使控制系統(tǒng)的硬件電路更為簡(jiǎn)單，并且大大提高了系統(tǒng)的可靠性，故此其特別適合用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。
基于PIC16F877的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。


圖3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
本文所討論的步進(jìn)電機(jī)為應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的5相混合式90BYG550A-0301型，其PIC步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。


圖4基于PIC步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3、軟件設(shè)計(jì)
3.1 步進(jìn)電機(jī)的升降曲線
常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)升降速運(yùn)行曲線有三種，即直線型、階梯型、指數(shù)型，本文僅對(duì)直線型升降速曲線進(jìn)行討論，如圖5所示。


圖5步進(jìn)電機(jī)直線型升降曲線
這種直線型升降速運(yùn)行曲線的升（降）速的加（減）速度是恒定的，在開(kāi)環(huán)控制時(shí)，由于不可能充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨速度變化的特性，故此步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)會(huì)發(fā)生失步，而本文所討論的控制系統(tǒng)中，由于反饋與自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，這個(gè)缺點(diǎn)可以得以克服。
由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著它的旋轉(zhuǎn)角速度變化，因此在整個(gè)升降速過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)的角加速度應(yīng)隨轉(zhuǎn)子角速度的變化而自適應(yīng)地變化。使步進(jìn)電機(jī)在不失步條件下，以最短的時(shí)間升速（降速）到給定速度，因此，尋求升降速曲線的自適應(yīng)規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確定位的關(guān)鍵。
3.2 軟件構(gòu)成
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)所要完成的功能，軟件程序主要有：故障中斷處理程序、定時(shí)移位中斷程序、步進(jìn)控制信號(hào)中斷處理程序、相序刷新和通信處理程序、升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序。
以下主要介紹升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序。圖6為升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序流程圖。


圖6升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序流程圖

4、討論
步進(jìn)電機(jī)由于是由脈沖信號(hào)控制的，所以完全可以采用開(kāi)環(huán)控制方式，這在精度要求不高的場(chǎng)合，不失為一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)而可行的技術(shù)方案。但是，在開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其輸入的脈沖不依賴轉(zhuǎn)子的位置，而是事先按照一定規(guī)律給定的，控制系統(tǒng)不能跟隨運(yùn)行頻率和負(fù)載大小而調(diào)整其控制參數(shù)，這就給步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行帶來(lái)一些不利因數(shù)，特別是在低頻、中頻的某些頻率點(diǎn)，將會(huì)出現(xiàn)振蕩，而在高頻區(qū)又將出現(xiàn)電磁力矩下降的情況；振蕩和電磁力矩的下降都有可能造成失步和位置控制不準(zhǔn)的后果。
閉環(huán)反饋控制加自適應(yīng)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，通過(guò)反饋和自適應(yīng)處理，按照優(yōu)化的升降運(yùn)行曲線，自動(dòng)地發(fā)出驅(qū)動(dòng)的脈沖串，不僅可使步進(jìn)電機(jī)的拖動(dòng)力矩特性有顯著提高，可獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，而且可以使步進(jìn)電機(jī)在許多其他領(lǐng)域內(nèi)獲得更大的通用性與實(shí)用性。

5、結(jié)束語(yǔ)
采用自適應(yīng)控制技術(shù)的PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)，可以充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)過(guò)程的快速響應(yīng)性和魯棒性都得到顯著地提高，縮短了升降速的時(shí)間，可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所述的自適應(yīng)控制技術(shù)方案的步進(jìn)電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠地沿著所設(shè)計(jì)的曲線與性能運(yùn)行，升降速過(guò)程平穩(wěn)而快速。由于PIC單片機(jī)價(jià)格低廉，性能可靠，集成度高，很多外圍元件都已集成到片塊內(nèi)部，使得外圍電路很是簡(jiǎn)潔，加之指令數(shù)少而精煉，故此采用PIC單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心處理器是一種實(shí)用與經(jīng)濟(jì)的選擇。
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