步进电机的自动化控制探究

李志峰

【摘要】在机电产品中，步进电机的运转速度和运转方向是由其驱动脉冲信号决定的，步进电机具有结构简单、运行可靠、步数精确等特点。所以，在快速启动或急停方面，它比普通的电机更稳定、高效。

【关键词】步进电机 自动化控制

一、步进电机的工作原理

步进电机的类型有很多，依据不同的原理可以分为反应式、永磁式、混合式等。不同种类的步进电机通过使用不同的工作原理，来实现一样的制动动力，最后实现了步进电机以固定的旋转角为基本步长的动力类型，不同的步进电机步距角不同。一般常用的混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组组成电磁铁、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度，根据磁铁的南北极中异极相吸同极相斥的原理实现转动的角度变化。混合式步进电机其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。两相混合式步进电机有两个绕组，步距角为1.8°或0.9°，一个周期为四拍AA—BB —AA—BB。步进电机转动为跳跃式转动，一般为了实现转动平稳需对转动步拍进行细分，步进电机配合合适的驱动器可实现256倍细分及其以上。

步进电机的驱动控制其实是恒流控制，实现细分就是将恒流进行可调，换拍时电流逐渐过渡。步进电机内部为线圈，线圈产生电感，为了实现电感的快速充放电，驱动电压原则上越高对步进电机的动态响应越好。由于步进电机的电感存在充放电的时间，因此步进电机的切换步拍不能过快，步进电机转动速度较其他类型电机较慢。

二、步进电机的变频调速

虽然步进电机具有快速启停能力强、准确度高、转速容易控制的特点，但是在实际运行中不仅电动机驱动执行机构从转动到停止时，要经历升速、恒速和减速的过程。如果启动时一次将速度升到给定速度，因为启动频率超过极限启动频率fq，见图1，步进电机容易发生失步现象，因此会造成无法正常启动，若到达点时突然停下来，由于惯性的作用，步进电机会产生过冲现象，影响了执行机构的执行效率，因此，对步进电机的加减速根据负载要有严格的要求。

为保证步进电机在不失步和不过冲的前提下，用最快的速度移动到指定的地方，本文提出了一种基于STM32控制的步进电机加减速离散控制方法。

采用STM32对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的频率。脉冲频率的产生可采用软件和硬件两种方法。软件方法依靠程序延时或定时中断来改变脉冲输出的频率，程序延时的延时时间无法保证，定时中断的方式对于高细分控制及高速运转的步进电机控制时，定时中断频率有时达到200kHz的中断，对系统资源占用较大。硬件方法是依靠STM32内部的定时器来实现的，修改定时器产生的PWM频率实现脉冲的输出。一般对于开环控制中，需要记录输出的脉冲个数用以推算电机的旋转角度，因此可以采用STM32中另外一个定时器，以产生PWM的定時器输出脉冲作为该定时器的时钟输入。一般在步进电机自动化控制中，产生PWM的定时器的数据更新频率在50Hz到100Hz，这样可以实现步进电机的快速响应、加减速平稳及较少的系统资源占用。每次定时器装载值数据更新中，根据步进电机所需的加速度曲线计算合适的定时器装载值。

三、步进电机的自动化控制

步进电机具有结构简单、运行可靠、步数精确等特点。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

由步进电机的工作原理可以知道，主要连续地对定子进行有序的固定时长的通电，那么步进电机就会依据一定的旋转角度和旋转方向进行转动。如果改变通电时间间隔，那么步进电机旋转的每一步之间的时间间隔就会发生变化，如果对定子通电的顺序发生变化，那么转子的旋转方向就会发生变化，对外界产生的动力也就随之产生变化。

目前自动化控制中，STM32使用率较高。STM32价格较低，性能高，芯片自身外部资源较多，稳定性好，已完全取代51单片机的历史。对于步进电机的自动化控制，主要思想是通过STM32生成稳定的脉冲信号，通过脉冲信号驱动步进电机的通电状态来实现其自动化控制，而人为地通过编程，来控制脉冲信号的频率、占空比以及其他特性，来实现对步进电机的旋转方向、步长时间的有效控制。

一般简单的自动化控制中，步进电机的驱动可以采用64细分的THB6064AH芯片，THB6064步进电机驱动芯片存在集成度较高，性能稳定，接口简单等优点。

嵌入式软件流程逻辑设计步进电机的控制，最终是通过定时器生成数字脉冲信号来实现，而定时器生成脉冲信号，则是通过人为的编程来实现，按照步进电机控制系统的运转逻辑，可以为STM32进行编程。

嵌入式软件流程设计，目标是为了配合硬件电路，生成脉冲信号实现对步进电机的控制。首先，对STM32内部的各个外设进行初始化设置，如对连接THB6064芯片的端口设置成数据输出端口，并对定时器进行初始化操作，使处在工作状态，然后根据步进电机的工作需求，发送控制脉冲，使其工作。

步进电机的自动化控制，主要是通过STM32生成脉冲信号，通过THB6064芯片驱动步进电机自动旋转，进而产生动力，所以在实现步进电机的自动化控制系统时，需要设计相应的硬件电路，使THB6064芯片连接步进电机，并且编程，通过定时器实现脉冲信号生成，进而控制步进电机运转。

参考文献：

[1]康永泽.步进电机控制的教学探究[J].山东工业技术，2015，（01）.

[2]张玉勇.步进电机自动化控制系统[J].科技与创新，2014，（03）.