童修偉

(菏澤學(xué)院，山東菏澤 274000)

0 引 言

步進(jìn)電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制執(zhí)行機構(gòu)。由步進(jìn)電動機的實際矩頻特性和速度頻率特性可得，轉(zhuǎn)子的速度與脈沖的頻率成正比關(guān)系，脈沖數(shù)決定轉(zhuǎn)子的起停，而不受負(fù)載變化的影響，非常易于單片機控制。并且其具有電路廉價、跟隨性良好、可靠性高等優(yōu)點，使得步進(jìn)電動機在一些對速度、位置控制精度要求較高的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在步進(jìn)電動機的實際運行過程中，由加速度頻率特性可得，如果運行頻率大于起動頻率時，步進(jìn)電動機會發(fā)生失步現(xiàn)象。同樣，當(dāng)運行頻率突然停止時，步進(jìn)電動機會由于慣性作用產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，造成位置不精確。如果頻率過低，步進(jìn)電動機的速度又會太慢。所以加減速過程控制的好壞直接決定了步進(jìn)電動機的控制精度。在不發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象的前提下，使步進(jìn)電動機從一個位置快速精確地移動到另一個位置是本文要解決的關(guān)鍵問題。本文采用對S型加減速曲線微分化的方法。微分化(線性化)后將得到一系列的不同速度，而后根據(jù)不同的速度值和時間間隔求出相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速序列，而后將其轉(zhuǎn)化成一系列的常數(shù)值，存儲在數(shù)組中。在程序運行中，使用類似查表的方法從數(shù)組中調(diào)出相應(yīng)的每一段的時間常數(shù)，以提高執(zhí)行速度。而步進(jìn)電動機的點位控制則是由二個參數(shù)來完成的，達(dá)到了對步進(jìn)電動機精確控制的效果。

1 硬件分析

步進(jìn)電動機驅(qū)動電源如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電動機驅(qū)動電源方框圖

步進(jìn)電動機需要一個專門的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源控制的好壞直接決定步進(jìn)電動機運行的好壞。在驅(qū)動電源中，只需控制其中的脈沖分配器，因為其他部分只需設(shè)計硬件即可達(dá)到相應(yīng)的要求。在這里有二種方法實現(xiàn)脈沖分配:軟件法是用單片機的PWM口不停地產(chǎn)生PWM波，這樣會占用大量的CPU時間，而且運行速度較慢。因此相對于軟件法，硬件法更具有優(yōu)勢。所謂硬件法就是用脈沖分配器芯片實現(xiàn)換相控制。由于采用了脈沖分配器，單片機只需利用其CCP模塊中的脈寬調(diào)制模式發(fā)出脈沖進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)向的控制，在接下來的脈沖分配過程中，脈沖分配器主要把脈沖信號加在脈沖放大器上，因此大大提高了運行速度。本文采用硬件法。在眾多的芯片中選擇8713集成電路芯片。8713脈沖分配器與PIC16F877的接口實例如圖2所示。

圖2 8713脈沖分配器與PIC16F877接口電路圖

2 步進(jìn)電動機的速度控制

2.1 S型加減速曲線的分析

本文是在對S型加減速曲線線性化(離散化)的基礎(chǔ)上，得到定時常數(shù)序列，進(jìn)而利用查表的方法重裝定時常數(shù)。S型升降頻曲線線性化圖如圖3所示。

圖3 S型升降頻曲線的線性圖

分析圖3可知，線性化，即是對S型升降頻曲線進(jìn)行微分化，由微分知識可得，每一個速度微分階段都可以看成平滑直線。每一個微分階段所持續(xù)的時間即可用下列公式表示:

式中:x為速度級數(shù);y為比例常數(shù)。

2.2 針對線性化的S型加減速曲線的程序設(shè)計

設(shè)計加減速總步數(shù)為30步，步進(jìn)電動機在加速過程中一直對這個總步數(shù)進(jìn)行遞減操作，當(dāng)減至為零時表示加速過程完畢，轉(zhuǎn)入恒速過程。同樣在此過程中一直對這個總步數(shù)遞減，減至為零時表示恒速過程結(jié)束，進(jìn)入減速階段。減速過程與加速過程相反。

利用查表方法設(shè)計的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 S型加減速曲線的流程圖

3 步進(jìn)電動機的位置控制

3.1 步進(jìn)電動機的點位分析

步進(jìn)電動機的一大優(yōu)點就是位置控制，因為其位置與脈沖數(shù)具有一一對應(yīng)的線性關(guān)系，位置控制不需反饋只需單片機提供的脈沖個數(shù)就能準(zhǔn)確定位，而且定位精度高。在本控制系統(tǒng)里主要采用的是參數(shù)法，通過設(shè)定二個參數(shù)來控制步進(jìn)電動機的位置。第一個參數(shù)是我們設(shè)定的初始值，即步進(jìn)電動機當(dāng)前的具體位置。第二個參數(shù)我們稱之為相對參數(shù)，主要設(shè)定從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的距離。在此控制系統(tǒng)中主要采用鍵盤程序?qū)⑦@個位置折算成電機的步數(shù)。只需設(shè)定這二個參數(shù)就可以實現(xiàn)位置的精確控制。

3.2 基于2個位置參數(shù)(絕對位置參數(shù)和相對位置參數(shù))的程序設(shè)計

此程序設(shè)計同樣是在圖2的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所有的操作都在定時器中斷程序中完成。每次中斷都改變一下RA0的狀態(tài)，即每二次中斷步進(jìn)電動機才走一步。具體的程序流程圖如圖5所示。

圖5 點位控制流程圖

4 實驗結(jié)果

本實驗采用的是六線四相制步進(jìn)電動機，選用八拍方式對四相步進(jìn)電動機控制。分別測得角度與位置數(shù)據(jù)與理論值的對比結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

5 結(jié) 語

本文的控制系統(tǒng)編程時創(chuàng)造性地利用了查表法、參數(shù)法，很好地解決了步進(jìn)電動機在運行過程中存在的失步、過沖等現(xiàn)象。該控制系統(tǒng)的良好性能已在作品《智能循日采光系統(tǒng)》(該作品獲得2011年山東省機電產(chǎn)品創(chuàng)新大賽一等獎)中得到了很好的驗證。在該作品中，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了采光板對太陽實時追蹤、精確定位的良好效果。同時該控制系統(tǒng)也在項目《基于太陽能電池板的立體旋轉(zhuǎn)屏》(獲得菏澤學(xué)院大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃立項)中實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)屏速度和位置精確控制的良好效果。該控制系統(tǒng)還在我校實訓(xùn)中心和實驗室里的數(shù)控機床上得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)多次試驗，用C語言編寫的該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了步進(jìn)電動機在工作頻率內(nèi)運行平穩(wěn)、定位精度高等效果，是一款成本較低、經(jīng)濟(jì)實用的控制系統(tǒng)。

一個好的控制系統(tǒng)還得具有較好的通用性和保護(hù)功能。此控制系統(tǒng)可以驅(qū)動多種步進(jìn)電動機，并且除在程序中設(shè)計了看門狗還設(shè)計了過電流保護(hù)功能。

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