步進(jìn)電機(jī)(脈沖電動機(jī))是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件，其可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，因此具有瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越特性。步進(jìn)電機(jī)在各種應(yīng)用場合下最大的優(yōu)勢是：可以開環(huán)方式控制而無需反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制，但也正是因為負(fù)載位置對控制電路沒有反饋，步進(jìn)電機(jī)就必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠移到新的位置，那么實際的負(fù)載位置相對控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖現(xiàn)象。因此步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵。
本設(shè)計使用SPMC75F2413A作為該系統(tǒng)設(shè)計的控制器。SPMC75F2413A是μ’nSPTM系列產(chǎn)品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結(jié)構(gòu)的微控制器。本設(shè)計中由SPMC75F2413產(chǎn)生脈沖信號，驅(qū)動電路使用由Allergo公司生產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動器SLA7042M構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是兩相
混合式步進(jìn)電機(jī)。
1、步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理
S曲線加減速將傳統(tǒng)的3段加減速過程變?yōu)?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(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，給一個電脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，如輸人為脈沖數(shù)N，在規(guī)定的時間T內(nèi)，其頻率即為f。驅(qū)動脈沖的頻率f隨時間t有：
式中，fm為步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)頻率，τ是決定升速快慢的時間常數(shù)，實際工作中可由實驗來確定，已知系統(tǒng)達(dá)到勻速時的速度和系統(tǒng)達(dá)到最大速度所用的時間。
本系統(tǒng)使用單片機(jī)定時中斷方式控制步進(jìn)電機(jī)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(shè)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?yōu)?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(jìn)電機(jī)所執(zhí)行的步數(shù)也可通過計算得出。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計
圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。
圖2中，SPMC75F2413A是一款系列產(chǎn)品的16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在4．5-5．5 V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度為0-24 MHz，擁有2 K字SRAM和32 K字閃存ROM；IOA～I(xiàn)OD4組64位可編程I／O端口，5個通用16位定時器／計數(shù)器。該系統(tǒng)采用S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0～I(xiàn)OB3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(jī)易于與數(shù)字電路接口，但一般數(shù)字電路的信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動電機(jī)。因此，必須有一個與之匹配的驅(qū)動器來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動器通過給電機(jī)繞組提供特定的激磁電流，告訴電機(jī)需要運行多少微步。步進(jìn)電機(jī)運行在整步模式時，因為剛好與電機(jī)的機(jī)械設(shè)計特點相吻合。此時定轉(zhuǎn)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(xì)分?jǐn)?shù)的增加，步矩角相應(yīng)減小。
