基于单片机步进电机速度控制研究

江洋

摘要：本文对步进机一个全面的介绍，再基于单片机对步进电机的控制。本文采用硬件控制系统，通过单片机MC9S12XS128与光电编码器对步进电机进行速度的控制。最后对步进电机的速度曲线进行研究。

关键词：步进机 单片机 光电编码器

步进电机又称为脉冲电动机或者阶跃电动机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统之中，比如当今电子钟表、工业机械手、包装机械和汽车制动元件的测试中等。步进电机在未来应用前景会往更加小型化、从圆形电动机往方形电动机和四相、五相往三相电动机发展。而这便需要对步进电机的控制提出了更高的要求。

1.步进电机综合介绍

1.1.步进电机分类

步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。

1.1.1.反应式步进电机

反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。一般为三相，可实现大扭矩的输出，步进角一般为1.5度。它的结构简单，成本低，但噪音大。

1.1.2.永磁式步进电机

永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比較大，步进角一般为7.5度或15度。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小，但启动运行频率较低，还需正负脉冲供电。

1.1.3.混合式步进电机

混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。它分为两相和五相，两相的步进角一般为1.8度，而五相的步进角为0.72度。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。

1.2.步进电机的工作原理

步进电机是将电脉冲信号转化为角位移增量，也即是说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，便驱动电机按照设定的方向转动一定的角位移量。我们可以通过控制脉冲的个数来控制步进电机的角位移量，通过控制脉冲的频率来控制速度与加速度。

如图一所示，定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线分别于转子的轴线错开。当A相通电时，由于定齿的A齿与转子的1齿对齐，没有切向力，转子静止，接着B相通电，转子齿偏移定子一个角度，由于励磁磁通力图沿着磁阻最小的路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转过转动，当转子转到定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切向力的作用，故转矩为零，转子被锁定在该位置上。综上可得出，错齿是促使步进机旋转的根本原因。

在非超载的情况下，电机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的脉冲数和脉冲频率，而不受负荷变化的影响。本文是基于这个条件下进行步进电机速度控制研究。

2.步进电机控制系统的研究

2.1.脉冲控制的方法

实现脉冲的分配的方法有两种：软件法和硬件法。软件法在电机运行的过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了CPU大量的时间，可能会使单片机无法进行其它工作，所以现在大部分都是采用硬件法。

2.2.控制系统硬件设计的研究

良好的驱动系统方案能强有力的支撑步进电机升降速曲线的设计。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器，必须与步进电机的型号相匹配。否则，将会损坏步进电机及驱动器。电机驱动系统的性能直接影响和制约加减速曲线的效果。

其硬件方面，基于MC9S12XS128 16位MCU以及光电编码器、步进电机驱动电路、单片机最小系统板电路支撑软件平台。

MC9S12XS128是飞思卡尔公司为成本敏感型汽车车身电子应用而设计的16位微控制器，其相关特性足以满足此控制系统的设计要求。MC9S12XS128 MCU主要特性：

(1) S12X CPU， 最高总线速度 40MHz；

(2) 2.128KB闪存，带有错误校正功能（ECC）；

(3) 带有 ECC 的、4KB 至 8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储；

(4) 可配置 8 、10 或 12 位模数转换器（ADC），转换时间 3μs；

(5) 支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议模块；

(6) 带有 16-位计数器的、8-通道定时器；

(7) 出色的 EMC，及运行和停止省电模式。

电机驱动电路的设计采用ULN2003芯片，ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，其工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

基于步进电机升降速曲线的设计选用四相五线步进电机，最小步进角7.5度，通过电机驱动细分原理，可使最小步进角变为3.75度。四相电机常见的运行方式为四相四拍和四相八拍，四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时电机为正转，改变通电时序为DA-CD-BC-AB时电机则为反转.

3.步进电机升降速曲线设计

步进电机启动和停止的时候，一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高，如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已经超过极限启动频率而不能正常启动，起则发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来后，如果达到终点时立即停止发送脉冲，令其立即停止，则由于系统惯性的作用，步进电机会转过控制器所希望的平衡位置，为了克服步进失步和过冲现象，应该在启动停止时加入适当的加减速控制。步进电机常用的升降频加减速控制方法有4种：

3.1.直线升降频

电机运动时,其运动过程是首先以一定的加速度加速运动,当速度达到指定的速度时,开始匀速运动，减速时,以一定的加速度减速运动到指定的速度后匀速运动或停下来。在步进电机升速过程中,直线规律速度控制是加速度保持一个恒定值不变,速度以直线规律上升，该种加减速方法快速性较好,控制方法计算简单, 所以适用于控制系统处理速度较慢且对升降速过程要求不高的场合。将影响电机和机械系统的使用寿命,这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长，但软件实现比较简单。

以往研究表明,步进电机处于负载状态下可以按预期的目标升降速,但是反映出过冲量大，稳定性差，噪音大的现象。所以在短距离的步进电机加减速控制中不适合采用该方法。同时,由于这种速度控制方法的加速度是恒定的,其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性,步进电机在高速时会发生失步"因此,除部分特殊场合,线性规律控制已逐步退出历史的舞台。

3.2.阶梯曲线升降频

将步进电机的升降过程离散为一个不连续的区间,控制器件所发出的驱动脉冲受阶梯函数的控制,即步进电机的转速每跃升1个台阶后,恒速运转一段时间,通过反馈机制比较当前速度与目标速度是否一致,若不一致则相应的加或减一个脉冲档位，这种方法的缺点是在恒速阶段没有加速,未充分利用步进电机的加速性能,而且在高频段加速台阶高,步进电机在速度越阶时会发生失步。

3.3.指数曲线升降频

指数规律加减速是指在加减速过程控制中,步进电机的速度是指数规律上升或下降的。开始加速度最大,并且随着速度的升高而逐渐减小,速度上升得越来越慢。当速度上升至最高值时,加速度降低至最小,理想情况下应接近于0，用指数规律加减速能充分保证步进电机的运行稳定性,同时兼顾了升降运行快速性。事实上,用指数规律加减速完全可以满足短距离步进控制的要求。它符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。指数升降控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差。

3.4.抛物线升降频

抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法，抛物线升降频很适合步进电机的加减速控制。但这种升降频算法的软件开销比较大，算法比较复杂，控制器处理的时间相对较长。

4.结束语

步进电机因其有其独特的优点，广泛地应用于自动化控制系统中。随着科技的发展，对步进电机的智能化控制要求也将越来越高，我们也有必要对它进行进一步的研究。

5.参考文献

[1] 孙同景，陈桂友 Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术，北京-机械工业

出版社，2008

[2] 王建，张玉峰，李磊，步进电机加减速控制技术研究，西安科技大学电控学院，2006年第6期

[3] 王勇，王伟，杨文涛，步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用，大连理工大学，2008