步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)
由于步進(jìn)電機(jī)可以直接接收數(shù)字信號，早期較簡單的控制電路可以采用數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)，但存在靈活性差的缺陷。目前以微型計算機(jī)為核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)增強(qiáng)了控制功能，也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，得到了迅速的普及和應(yīng)用。 
理論上說，閉環(huán)控制比開環(huán)控制可靠，但是步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的價格比較貴，還容易引起持續(xù)的機(jī)械振蕩。如果要保證動態(tài)性能優(yōu)良，不如選用直流或交流位置伺服系統(tǒng)。因此，步進(jìn)電機(jī)大部分還是采用開環(huán)控制。 
圖C 單片機(jī)串行控制 脈沖分配器有專用芯片供應(yīng)市場，如CH250、L297等。其中，CH250專用于三相步進(jìn)電機(jī)，L297專用于兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。 
圖D 純軟件并行控制 2）軟、硬件結(jié)合的方法 軟、硬件結(jié)合的方法可比純軟件方法減少占用單片機(jī)的工作時間和硬件資源，如圖E所示。圖中8031的P1口用做信號輸出，其中P1.3~P1.7均空置不用，僅以P1.0~P1.2三條線接到一個EPROM2764的低三位地址線上，可選通EPROM2764的8個地址單元，相應(yīng)有八種狀態(tài)。EPROM2764的低四位數(shù)據(jù)輸出線作為步進(jìn)電機(jī)A，B，C，D各相的控制線，硬件設(shè)計成低電平時繞組通電。這樣，EPROM2764作為一種解碼器，通過其輸入輸出關(guān)系可以使系統(tǒng)設(shè)計得更便于單片機(jī)控制。 
圖E 軟硬件結(jié)合并行控制
用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加、減速控制，實際上就是控制每次換相的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時則相反。若單片機(jī)使用定時器中斷方式來控制電動機(jī)的速度，那么加、減速控制實際上就是不斷改變定時器的裝載值的大小。對于每一檔頻率，軟件系統(tǒng)可以通過查表方式，查出所需要的裝載值。為了便于編制程序，不一定每步都計算裝載值，而可以用階梯曲線來逼近升降曲線。圖G為指數(shù)加速曲線的階梯逼近。電動機(jī)減速是加速的逆過程，因此減速時也采用與加速相同的方法進(jìn)行加載頻率的階梯化逼近。 為了實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的總步數(shù)符合給定值的要求，在軟件上要做很多工作。首先，為了保證總步數(shù)不出錯，要建立一種隨時校對其總步數(shù)是否達(dá)到給定值的機(jī)制。電動機(jī)每一次換相，都要校核一次。例如，在電動機(jī)運(yùn)動前，可在RAM區(qū)的某些單元中存放給定的總步數(shù)。電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，軟件按換相次數(shù)遞減這些單元中的數(shù)值，同時校核單元中的數(shù)值是否為零。為零時，說明電動機(jī)已走完給定的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)總步數(shù)，應(yīng)停止轉(zhuǎn)動，進(jìn)入鎖定狀態(tài)；至于正、反轉(zhuǎn)，則可以以方向標(biāo)志位的情況來確定。
1、步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)分類
以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng)，有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。開環(huán)控制如圖A所示，它沒有位置反饋，不需要光電編碼器之類位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價格比較便宜。為了保證定位不出錯，系統(tǒng)設(shè)計時要留出足夠的裕度。這就是說，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖頻率不能設(shè)計得太高，電動機(jī)的機(jī)械負(fù)載不能太重。萬一因為負(fù)載短時超載而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步，定位就會出錯。閉環(huán)控制如圖B所示，它采用光電編碼器之類位置傳感器將電動機(jī)的實際位置反饋給計算機(jī)，萬一步進(jìn)電機(jī)失步，計算機(jī)發(fā)現(xiàn)電動機(jī)的實際位置沒有達(dá)到給定值，就補(bǔ)發(fā)脈沖，直到電動機(jī)的實際位置和給定值一致或相當(dāng)接近為止。 |  |
| 圖A 開環(huán)控制 | 圖B 閉環(huán)控制 |
2、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制
單片機(jī)通常作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片，當(dāng)采用單片機(jī)控制時，不論是開環(huán)還是閉環(huán)，控制方法可分為串行控制和并行控制兩類。2.1. 串行控制
圖C所示表示用8031單片機(jī)通過串行控制來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的示意圖，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的功率接口之間只有兩條控制線：一條用于發(fā)送走步脈沖串（CP），另一條用于發(fā)送控制旋轉(zhuǎn)方向的電平信號。串行控制的功率接口電路內(nèi)含有一個脈沖分配器（又稱環(huán)形分配器）。其作用是將單路脈沖轉(zhuǎn)換成多相循環(huán)變化的脈沖。它有一路輸入，多路輸出。隨著一個個脈沖的輸入，各路輸出電壓輪流變高和變低。例如，三相脈沖分配器有A，B，C三路輸出，采用單三拍運(yùn)行方式時，當(dāng)單片機(jī)將一個個脈沖送入脈沖分配器后，三路輸出電壓將按 A→ B→C→A→……的次序輪流變高和變低。三路電壓分別經(jīng)功率放大器向步進(jìn)電機(jī)的三相繞組供電，步進(jìn)電機(jī)就一步一步地旋轉(zhuǎn)起來。脈沖分配器一般還有一個旋轉(zhuǎn)方向控制端，根據(jù)方向控制端的電平是低還是高，決定三路輸出電壓的輪流順序是A→B→C→A→…還是 A→ C→B→A→…，這也就決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向是正方向還是反方向。 圖C 單片機(jī)串行控制 脈沖分配器有專用芯片供應(yīng)市場，如CH250、L297等。其中，CH250專用于三相步進(jìn)電機(jī)，L297專用于兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。 2.2. 并行控制
在并行控制中，單片機(jī)通過數(shù)條并行口線，直接發(fā)出多相脈沖波信號，再通過功率放大后，送入步進(jìn)電機(jī)的各相統(tǒng)組。這樣就不再需要脈沖分配器，脈沖分配器的功能可以用純軟件的方法實現(xiàn)，也可以用軟件和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)。 1）純軟件方法 在這種方法中，脈沖分配器的功能全部由軟件來完成。由軟件按步驟依次循環(huán)輸出驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)所需的各個狀態(tài)，如圖D所示。用純軟件方法代替脈沖分配器的特點(diǎn)是比較靈活，可以完成多種運(yùn)動的控制方式，但占用單片機(jī)較多的計算時間和硬件資源。 圖D 純軟件并行控制 2）軟、硬件結(jié)合的方法 軟、硬件結(jié)合的方法可比純軟件方法減少占用單片機(jī)的工作時間和硬件資源，如圖E所示。圖中8031的P1口用做信號輸出，其中P1.3~P1.7均空置不用，僅以P1.0~P1.2三條線接到一個EPROM2764的低三位地址線上，可選通EPROM2764的8個地址單元，相應(yīng)有八種狀態(tài)。EPROM2764的低四位數(shù)據(jù)輸出線作為步進(jìn)電機(jī)A，B，C，D各相的控制線，硬件設(shè)計成低電平時繞組通電。這樣，EPROM2764作為一種解碼器，通過其輸入輸出關(guān)系可以使系統(tǒng)設(shè)計得更便于單片機(jī)控制。 圖E 軟硬件結(jié)合并行控制 2.3. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實際上就是控制各通電狀態(tài)持續(xù)時間的長短。方法有兩種：一種是軟件延時，另一種是定時器延時。 1）軟件延時法 這種方法是在每次轉(zhuǎn)換通電狀態(tài)（簡稱換相）后，調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后，再次執(zhí)行換相子程序。如此反復(fù)，就可使步進(jìn)電機(jī)按某一確定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 2）定時器延時法 單片機(jī)一般均帶有幾個片載定時/計數(shù)器。可利用其中某個定時器，加載適當(dāng)?shù)亩〞r值，經(jīng)過一定的時間，定時器溢出，產(chǎn)生中斷信號，暫停主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行定時器中斷服務(wù)程序，于是產(chǎn)生硬件延時效果。若將步進(jìn)電機(jī)換相子程序放在定時器中斷服務(wù)程序之內(nèi)，則定時器每中斷一次，電動機(jī)就換相一次，從而實現(xiàn)對電動機(jī)的速度控制。3、加、減速定位控制
步進(jìn)電機(jī)的最高起動頻率（突跳頻率）一般為幾百赫茲到三四千赫茲，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到幾萬赫茲。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現(xiàn)“失步”（失去同步）現(xiàn)象，有時根本就轉(zhuǎn)不起來。而如果先以低于最高起動頻率的某一頻率起動，再逐步提高頻率，使電動機(jī)逐步加速，則可以到達(dá)最高運(yùn)行頻率。此外，對于正在快速旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)，若在到達(dá)終點(diǎn)時，立即停發(fā)脈沖，令其立即準(zhǔn)確鎖定。也是很難實現(xiàn)的；由于慣性，電動機(jī)往往會沖過頭，也會出現(xiàn)失步。如果電動機(jī)的工作頻率總是低于最高起動頻率，當(dāng)然不會失步，但電動機(jī)的潛力沒有發(fā)揮，工作速度太低了。 當(dāng)負(fù)載機(jī)械從一個位置快速運(yùn)行到另一個給定位置時，對步進(jìn)電機(jī)而言，就是從一個鎖定位置，運(yùn)行若干步，盡快到達(dá)另一個位置，并加以鎖定。這樣對系統(tǒng)就有兩個基本要求：第一是總步數(shù)要符合給定值，第二是總的走步時間應(yīng)盡量短。步進(jìn)電機(jī)為了滿足這兩個要求，需要一個加、減速定位控制，即步進(jìn)電機(jī)拖動給定的負(fù)載依次經(jīng)過加速——恒定高速——減速——恒定低速——鎖定的過程，既快又穩(wěn)地準(zhǔn)確定位。 加、減速規(guī)律一般有兩種選擇，如圖F所示，一種是按指數(shù)規(guī)律，也就是升速開始時先采用大一點(diǎn)的加速度，隨著轉(zhuǎn)速的升高，加速度逐步減小；降速時則是高速段減速度小一些，低速段減速度大一些，這樣比較符合步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而減小的狀況，但計算較為復(fù)雜。另一種是按直線規(guī)律升降速，計算比較簡單。 |  |
| 圖F 步進(jìn)電機(jī)的加、減速規(guī)律 | 圖G 加載頻率的階梯化逼近 |