步進電機(脈沖電動機)是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，是數字控制的一種執行元件，其可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優點，因此具有瞬間啟動與急速停止的優越特性。步進電機在各種應用場合下最大的優勢是：可以開環方式控制而無需反饋就能對位置和速度進行控制，但也正是因為負載位置對控制電路沒有反饋，步進電機就必須正確響應每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置出現永久誤差，即發生失步現象或過沖現象。因此步進電機開環控制系統中，如何防止失步和過沖是開環控制系統能否正常運行的關鍵。
本設計使用SPMC75F2413A作為該系統設計的控制器。SPMC75F2413A是μ’nSPTM系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。本設計中由SPMC75F2413產生脈沖信號，驅動電路使用由Allergo公司生產的兩相步進電機專用驅動器SLA7042M構成步進電機的驅動電路，執行機構是兩相混合式步進電機。
1 步進電機加減速控制原理
S曲線加減速將傳統的3段加減速過程變為7段加減速過程，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)。
在步進電機的控制系統中，給一個電脈沖信號，步進電機就轉動一個角度或前進一步，如輸人為脈沖數N，在規定的時間T內，其頻率即為f。驅動脈沖的頻率f隨時間t有：
式中，fm為步進電機的最高連續頻率，τ是決定升速快慢的時間常數，實際工作中可由實驗來確定，已知系統達到勻速時的速度和系統達到最大速度所用的時間。
本系統使用單片機定時中斷方式控制步進電機的速度，在升降速控制時，實際上是不斷改變定時器的裝載值的大小。
將升速過程離散處理，在設計中將加速時間固定為T=T1+T2+T3，為使說明方便，令T2=0。這時加速段由3個變為2個，即加加速段與減加速段。將T等分為40個時間相同的時間段，即將加加速時間T1分為20等分，將加減速時間T3分為20等分。則兩次速度變化的間隔時間為△t=T/40，則每一檔的頻率可由式(1)計算得出，在每一檔頻率下步進電機所執行的步數也可通過計算得出。
2 系統硬件設計
圖2為系統硬件設計結構框圖。
圖2中，SPMC75F2413A是一款
系列產品的16位結構的微控制器。在4.5-5.5 V工作電壓范圍內的工作速度為0-24 MHz，擁有2 K字SRAM和32 K字閃存ROM;IOA～IOD4組64位可編程I/O端口，5個通用16位定時器/計數器。該系統采用S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0～IOB3位作為控制信號的輸出端口，IOB4位作為光電傳感器的輸入端口。
步進電機易于與數字電路接口，但一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動電機。因此，必須有一個與之匹配的驅動器來驅動步進電機。驅動器通過給電機繞組提供特定的激磁電流，告訴電機需要運行多少微步。步進電機運行在整步模式時，因為剛好與電機的機械設計特點相吻合。此時定轉子齒正好完全對齊，且繞組中流過的電流最大，步距角也最大。隨著細分數的增加，步矩角相應減小。
該系統采用Allergo公司生產的驅動器SLA7042M，其本質上是利用數字量輸入控制輸出電流，其內部的2個4 bit的移位寄存器分別接收由SerialData引腳輸入的電機相位信息和激磁電流比例數據。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據的最低位，次低位，最后載入最高位。驅動部分電路如圖3所示。
3 系統軟件設計
通過式(1)可計算出每個頻率檔的頻率以及在該檔內步進電機所走的步數，將這40個檔的頻率以及各個檔內所走的步數分別存入2個數組變量。該系統軟件程序首先判斷步進電機是否能達到最大速度。當規定步進電機轉動的步數少時，步進電機不能達到最大速度，速度就要開始下降。這時首先應求出升速所能達到的步數和頻率，及降速所能達到的步數和頻率。而減速過程和加速過程正好相反，即就是將2個數組中存入的數據，按相反順序輸出。圖4為步進電機S曲線加減速軟件流程。
4 結束語
使用凌陽SPMC75F2413A單片機，采用S曲線增減速的方法有效控制了步進電機啟動和停止過程中容易產生的失步及過沖現象。該控制方法有效、實用，已在數控切削系統中得到驗證，結果穩定可行。 |
