彭延鑫

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 湖南 常德 415000）

引言

該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)人員把步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止的控制方法作為研究重點(diǎn)。單片機(jī)屬于集成式電路芯片，主要利用大規(guī)模的集成電路技術(shù)發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理屬性，將中心處理器和存儲(chǔ)器的功能集中于硅片，建立完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制主要控制其自動(dòng)加速、減速控制，屬于步進(jìn)電機(jī)變速的基本方式，更適應(yīng)于位置控制。在此，以單片機(jī)控制技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)，分析應(yīng)用單片機(jī)時(shí)的出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行自適應(yīng)細(xì)分調(diào)速研究。

1 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)控制的步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)調(diào)速細(xì)分方法

1.1 步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)細(xì)分調(diào)速離散化處理

結(jié)合步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的優(yōu)勢(shì)，可將控制速度分為加速、減速、勻速三種不同檔位，制作不同調(diào)速檔位的曲線設(shè)計(jì)圖。如圖一所示，橫坐標(biāo)代表步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)間，用t表示，以秒（s）為時(shí)間單位；縱坐標(biāo)代表步進(jìn)電機(jī)工作的頻率，以脈沖/s、步/s為單位。步進(jìn)電機(jī)起步工作的頻率用f0表示，控制電機(jī)速度，使其以一定的加速度開(kāi)始加速運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)到第一個(gè)T1時(shí)刻時(shí)該電機(jī)的運(yùn)動(dòng)頻率為fk，此時(shí)運(yùn)動(dòng)頻率最高。此時(shí)進(jìn)行勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)時(shí)間為T2，再以一定的加速度進(jìn)行減速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榉聪蜻\(yùn)動(dòng)，到達(dá)Te時(shí)使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在Te+Ts到2Te+Ts這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)按照上述運(yùn)轉(zhuǎn)方式繼續(xù)工作[2]。

步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)使，所有的加速階段都是線性的加速過(guò)程，因此在此階段，時(shí)間和頻率的系可以用公式（1）：表示，其中f代表步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率，代表步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的起始頻率，a代表步進(jìn)電機(jī)到達(dá)最高頻率時(shí)的加速度，t代表步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加速的時(shí)長(zhǎng)[3]。

該研究利用單片機(jī)的控制方式調(diào)節(jié)其速度，在對(duì)電機(jī)進(jìn)行加速控制時(shí)，本質(zhì)是利用變化的定式裝置中裝載數(shù)量進(jìn)行控制。為了滿足單片機(jī)字長(zhǎng)以及編程的便利性，使用離散法將電機(jī)的調(diào)速進(jìn)行離散處理，將每一步長(zhǎng)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化。在進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)該將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度看作分檔運(yùn)轉(zhuǎn)的模式，每一檔在運(yùn)轉(zhuǎn)使都要停留一段時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)的控制需求，應(yīng)該在研究中應(yīng)用到高頻低細(xì)分、低頻高細(xì)分的模式。例如，電機(jī)的脈沖頻率在0—30之間時(shí)，可將其細(xì)分為128個(gè)狀態(tài)；當(dāng)頻率在30—80之間時(shí)，可細(xì)分為64個(gè)狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)以某一速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn)了幾個(gè)脈沖后，可將其上升到另一檔位，以此來(lái)協(xié)調(diào)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量出現(xiàn)滯后問(wèn)題，減小調(diào)速時(shí)電機(jī)局部速度的誤差。

1.2 基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速定時(shí)常數(shù)確定

該研究的調(diào)速方法時(shí)利用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施加速或減速控制，本質(zhì)上時(shí)利用步進(jìn)電機(jī)自愛(ài)脈沖輸出是的時(shí)間變化來(lái)控制其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。該方法中的重要步驟是利用單片機(jī)的控制條件，分析步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的常數(shù)。根據(jù)上述的研究，可知控制時(shí)的定時(shí)器在步進(jìn)電機(jī)每一檔位的速度周期Mi可用公式（2）表示為：= 。在公式（2）中，Mi代表電機(jī)每一檔位上升速度的定時(shí)周期；fi代表每一檔位的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；i代表電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的某一檔位；ΔT代表相鄰兩檔位速度變化時(shí)間間隔。由于在應(yīng)用中應(yīng)該結(jié)合單片機(jī)中中央處理器字長(zhǎng)問(wèn)題和實(shí)際應(yīng)用控制調(diào)速的需求，可設(shè)計(jì)多個(gè)檔位事先 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)、加速、減速控制[4]。在實(shí)施調(diào)速工作后，應(yīng)該確定每一檔位的具體步驟，在步缺少步驟的前提下，讓電機(jī)以最快的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，保證在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不出現(xiàn)噪音，以噪音大小作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2 細(xì)分自適應(yīng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件主要由主程序、外部中斷子程序和維護(hù)程序構(gòu)成。

主系統(tǒng)控制所有程序的流程，最先檢驗(yàn)也就能和脈沖信號(hào)是不是同時(shí)有效無(wú)效則循環(huán)等候；有效則根據(jù)單片機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器計(jì)量輸入脈沖信號(hào)周期時(shí)間，計(jì)算出來(lái)脈沖頻率f，另外啟用外部中斷程序IN，明確步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作情況，輸入適合的階梯波控制電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。外部中斷子程序是所有軟件部分的核心。其工作過(guò)程入下：

（1）載入單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)信息；

（2）將獲取數(shù)據(jù)與設(shè)置數(shù)據(jù)信息比較，明確步進(jìn)電機(jī)細(xì)分計(jì)步m；

（3）檢驗(yàn)方位控制數(shù)據(jù)信號(hào)，依據(jù)m和方位數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)算出階梯波繞阻電流量數(shù)據(jù)信息的查表偏移量；

（4）查表，讀取并傳送數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。

為了同時(shí)滿足雷達(dá)伺服系統(tǒng)高、低頻的控制要求，程序流程選用低頻高細(xì)分、高頻低細(xì)分、“細(xì)分自應(yīng)式”的程序編寫策略，輸入脈沖頻率f與細(xì)分狀態(tài)m對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4.只需輸入脈沖頻率f更改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷脈沖頻率所在的細(xì)分情況范圍，進(jìn)而明確電機(jī)新的運(yùn)作方式。同時(shí)，更改階梯波數(shù)據(jù)信息的輸入方法，輸入一個(gè)脈沖，勻稱輸入m個(gè)數(shù)據(jù)信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)勻稱前行m步，以確保電動(dòng)機(jī)在變換細(xì)分情況時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，防止失步越步狀況影響系統(tǒng)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所示，結(jié)合電力市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度提出了新的需求。即使此項(xiàng)研究在應(yīng)用過(guò)程中成效頗高，但仍具有較多缺陷，缺乏實(shí)踐無(wú)法探究驗(yàn)證的有效性。因此，在后續(xù)的研究中，應(yīng)該適當(dāng)結(jié)合C語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)新型的單片機(jī)控制方案，以縮減研究周期為工作目標(biāo)，增加單片機(jī)的移植效果，提升設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性，以此來(lái)滿足市場(chǎng)需求。