步進(jìn)電機(脈沖電動(dòng)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進(jìn)電機具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(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)電機在各種應用場(chǎng)合下最大的優(yōu)勢是：可以開(kāi)環(huán)方式控制而無(wú)需反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制，但也正是因為負載位置對控制電路沒(méi)有反饋，步進(jìn)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(shí)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(fā)生失步現象或過(guò)沖現象。因此步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制系統中，如何防止失步和過(guò)沖是開(kāi)環(huán)控制系統能否正常運行的關(guān)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(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的一個(gè)16位結構的微控制器。本設計中由SPMC75F2413產(chǎn)生脈沖信號，驅動(dòng)電路使用由Allergo公司生產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機專(zhuān)用驅動(dòng)器SLA7042M構成步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路，執行機構是兩相混合式步進(jìn)電機。

1 步進(jìn)電機加減速控制原理

S曲線(xiàn)加減速將傳統的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)電機的控制系統中，給一個(gè)電脈沖信號，步進(jìn)電機就轉動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，如輸人為脈沖數N，在規定的時(shí)間T內，其頻率即為f。驅動(dòng)脈沖的頻率f隨時(shí)間t有：

式中，fm為步進(jìn)電機的最高連續頻率，τ是決定升速快慢的時(shí)間常數，實(shí)際工作中可由實(shí)驗來(lái)確定，已知系統達到勻速時(shí)的速度和系統達到最大速度所用的時(shí)間。

本系統使用單片機定時(shí)中斷方式控制步進(jìn)電機的速度，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，在設計中將加速時(shí)間固定為T(mén)=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)計算得出，在每一檔頻率下步進(jìn)電機所執行的步數也可通過(guò)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(chǎn)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(gè)通用16位定時(shí)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(jìn)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(dòng)電機。因此，必須有一個(gè)與之匹配的驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機。驅動(dòng)器通過(guò)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(jìn)電機運行在整步模式時(shí)，因為剛好與電機的機械設計特點(diǎn)相吻合。此時(shí)定轉子齒正好完全對齊，且繞組中流過(guò)的電流最大，步距角也最大。隨著(zhù)細分數的增加，步矩角相應減小。

該系統采用Allergo公司生產(chǎn)的驅動(dòng)器SLA7042M，其本質(zhì)上是利用數字量輸入控制輸出電流，其內部的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(zhù)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(dòng)部分電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

通過(guò)式(1)可計算出每個(gè)頻率檔的頻率以及在該檔內步進(jìn)電機所走的步數，將這40個(gè)檔的頻率以及各個(gè)檔內所走的步數分別存入2個(gè)數組變量。該系統軟件程序首先判斷步進(jìn)電機是否能達到最大速度。當規定步進(jìn)電機轉動(dòng)的步數少時(shí)，步進(jìn)電機不能達到最大速度，速度就要開(kāi)始下降。這時(shí)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(guò)程和加速過(guò)程正好相反，即就是將2個(gè)數組中存入的數據，按相反順序輸出。圖4為步進(jìn)電機S曲線(xiàn)加減速軟件流程。

4 結束語(yǔ)

使用凌陽(yáng)SPMC75F2413A單片機，采用S曲線(xiàn)增減速的方法有效控制了步進(jìn)電機啟動(dòng)和停止過(guò)程中容易產(chǎn)生的失步及過(guò)沖現象。該控制方法有效、實(shí)用，已在數控切削系統中得到驗證，結果穩定可行。