基于SPMC75F2413A單片機的步進(jìn)電機加減速控制

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。