步進電動機的微機控制
鐘守炎（江漢石油學(xué)院）
【摘 要】介紹采用微機控制實現(xiàn)五相 步進電機脈沖分配的方法，為充分發(fā)揮步進電動機的工作性能，程序采用升降速處理方法，選擇了一條比較理想的升降速運行曲線，使步進電動機在各種頻率下運行和停止不產(chǎn)生失步、過沖。 【敘 詞】步進電動機微機控制驅(qū)動程序
1引 言
近年來，微機得到了廣泛的應(yīng)用，從自動控制、數(shù)值計算到信號處理各個領(lǐng)域，微機都發(fā)揮了積極的作用。對于老設(shè)備的改裝控制、智能儀表和過程控制，都采用微機作為智能部件，用步進電動機作轉(zhuǎn)換媒介，將微機的電信號轉(zhuǎn)換為機械動作，從而控制執(zhí)行機構(gòu)的移動方向、移動速度和移動距離。本文以五相步進電動機(150BF5)為例，介紹用軟件來代替以往的硬件邏輯，設(shè)計一實用的步進電動機驅(qū)動程序。該程序已用于C620-1B普通車床的改造中。
2步進電動機的控制特點
步進電動機是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的精密執(zhí)行和驅(qū)動元件。在儀表等自動化裝置和工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，步進電動機要工作在不同的速度場合。對于低速工作場合，則可以直接啟動，采用恒速工作方式設(shè)計軟件；當(dāng)步進電動機在高速場合下工作時，就不能采用恒速工作方式，因為由步進電動機的短頻特性（圖1為150BF5步進電動機的實測曲線）可知，轉(zhuǎn)矩M是頻率的函數(shù)。1989年《微電機》第3期，張仲榮等載文“數(shù)控機床用步進電動機的合理升降頻特性，介紹五相步進電動機在低頻共振時的特點是其運行矩頻特性均因存在低頻共振而出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，所以，步進電動機直接啟動的****頻率是一有限值。如果實際運行的頻率大于這一有限值，步進電動機直接啟動就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。因此，要使步進電動機在高速下運行，必須以低速啟動，然后再慢慢加速到高速；同樣，步進電動機不能在高速運行狀態(tài)下突然停止，否則，由于慣性作用而可能出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，所以要以高速慢慢降到低速，最后才能可靠地停止。要滿足這兩種工作過程的要求，步進電動機就必須采用變速方式工作，即升降速處理方式，這也是提高步進電動機啟停頻率的關(guān)鍵�？梢�，步進電動機驅(qū)動程序應(yīng)解決脈沖分配、運轉(zhuǎn)方向和步數(shù)（頻率）控制以及升降速處理等。
3驅(qū)動程序設(shè)計
3.1硬件接口設(shè)計
對于一臺五相步進電動機（或多臺），有五個通電繞組，需要微機的五個控制信號，可采用微機（由北京工業(yè)大學(xué)電子廠生產(chǎn)的TPSTD系列模板：TP STD880IB280A多功能CPU板、TP STD 8601多功能I／O控制板及鍵盤、顯示板等組成）的并行PIO接口，它具有16條可編程的I／O線。通過編程可使PIO口接收或發(fā)送多種信息，將PIO口的A口(其口地址為78H)。設(shè)置為輸出工作方式，并用PAo～PA。五位來控制五相步進電動機的五個通電繞組。當(dāng)某一位為l時，發(fā)出正脈沖使步進電動機的對應(yīng)相通電；當(dāng)某一位為0時，使步進電動機的對應(yīng)相斷電，從而控制步進電動機轉(zhuǎn)動。
3.2脈沖分配的實現(xiàn)
要使步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動，就要通過軟件控制脈沖輸出的順序，即脈沖分配。
對于五相(A、B、C、D、E)步進電動機，其工作方式有多種，本文采用2- 3- 2-3工作方式，即五相十拍工作方式，其通過順序為
正轉(zhuǎn)：AB- ABC-BC—BCD—CD-CDE—DE—DEA- EA-EAB—AB
反轉(zhuǎn)：BA--BAE-AE—AED--ED—EDC—DC -DCB-CB一CBA-BA
采用工作狀態(tài)字來實現(xiàn)這一通電順序。如表1所示，并采用查表方法實現(xiàn)步進電動
機的脈沖分配，以提高運行速度。其方法是：在微機存貯器內(nèi)開辟一組單元(TA-BLE+O，TABLE+1，……)，依次存放步進電動機的工作狀態(tài)字，用寄存器HL作為狀態(tài)字的地址指針。當(dāng)程序執(zhí)行時，根據(jù)地址指針依次從內(nèi)存單元中取出狀態(tài)字送到輸出口(PIO A口)，正轉(zhuǎn)時，使指針HL逐次加1，反轉(zhuǎn)時使指針HL逐次減l，從而控制步進電動機正、反轉(zhuǎn)。
3.3步進電動機的速度控制
在實際應(yīng)用中，需要步進電動機能在名種頻率下工作，即對步進電動機進行調(diào)速．可以將步進電動機的工作頻率分成不同的逼度檔，并用代碼為速度代碼表示，單位以步／s表示，本程序?qū)⑺俣攘頌?0個擋，各擋的運行頻率見表2（按一等比級數(shù)分布）。
3.4程序設(shè)計
要使步進電動機正常運轉(zhuǎn)，提高其快速啟停頻率，應(yīng)使步進電動機在恒速與變速兩種方式相結(jié)合的情況下工作，這就要選擇一條比較合適的運行規(guī)律曲線作為程序設(shè)計的基礎(chǔ)。
從步進電動機的矩頻特性出發(fā)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩隨頻率變化的情況來選擇一條運行曲線。從圖1的矩頻特性分析，符合這種特性的升降曲線是采用變加速度，即指數(shù)型(f=foet/T運行曲線(如圖2所示)，在編程時將其離散化為一臺階曲線，近似于指數(shù)型。這種曲線比較符合步進電動機加減速過程的運行規(guī)律，能充分地利用步進電動機的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。它表明步進電動機以比較低的頻率fo緩慢地加速到穩(wěn)定運行頻率f1（即實際工作所要達到的頻率）。步進電動機以f1穩(wěn)定運行所需要的大部分時間（以步數(shù)多少來衡量）后。再從辦頻率緩慢地降到fo，以f0運行一小段時間走完所需的總行程后再停止。
3.4.1恒速運行
對于低速工作情況下(f1o)可直接啟動，一般fo=1000步／s左右，對不同的步進電動機，fo可進行調(diào)整（進行實測求出）。這樣對于前面21擋(01—21)速度就不必采用升降速處理，麗是直接以五啟動恒速運行所需要的總行程；對于后9擋(22～30)如不考慮升降速部分，則是以fo恒速運行。在這兩種情況下，要達到每擋所規(guī)定的恒速運行頻率，就要采用延時方式，可采用Z80 CTC中斷方式和非中斷軟件方式。本文采用后者，并利用查表技術(shù)達到各擋的速度。首先根據(jù)實際運行頻率f1計算出所要的延時時間（即在該擋下每走一步所需的時間），本程序采用調(diào)用延時子程序的方法達到這一目的，這時將延時時間折算為時間常數(shù)TD（共對應(yīng)關(guān)系如表3所示，工作主頻為4MHz時）。
再將各擋的時間常數(shù)TD存放于以TIME為首地址的表中，每擋時間常數(shù)占兩個存貯單元（低字節(jié)在前，高字節(jié)在后），具體存放順序見圖3a所示。程序執(zhí)行時，根據(jù)首地址和速度代碼值通過變址寄存器IX: IX-TIME-2+速度代碼值×2去查找相應(yīng)的時間常數(shù)TD，并送寄存器HL，經(jīng)延時就可獲得所需要的速度。
3.4.2變速運行（加／減速過程）
變速運行（對后9擋的速度）過程就是圖2中tl—t2加速過程和t3—t 4減速過程。為實現(xiàn)這一過程，根據(jù)指數(shù)型公式采用時間離散的辦法，使步進電動機每走一步按一等級加速、減速。其原理是通過改變延時時間實現(xiàn)速度的改變。即在加速階段（tl—t2），步進電動機從f0開始每走一步，延時時間T0遞減一常量，實現(xiàn)加速上升，當(dāng)延時時間遞減到T1（即增減s次）時就加速到了頻率，這通過數(shù)列公式可證明；而減速時，步進電動機以f1開始每走一步，延時時間丁，遞增一常量，實現(xiàn)減速下降，當(dāng)延時時間遞增到丁。時就降到了fo頻率。按這一原理進行程序設(shè)計，對一些常數(shù)進行調(diào)整，通過回歸分析，可證明其升降曲線為前面所選的指數(shù)型運行曲線。下面升算幾個編程時用的幾個參數(shù)。
基本延時時間TB=0.05 (ms)
啟動頻率為f0時T0=1／f0
實際運行頻率為f1時T1=1／f1
啟動（加速時）延時倍數(shù)N1=T0／TB
終止（減速時）延時倍數(shù)N2=T1／TB
遞增（或遞減）次數(shù)S=N1-N2+1
根據(jù)上述定義可計算出升降速參數(shù)如表4所示。
注：Nl、Nz.S均為十六進制
按上述原理，將表珥的參數(shù)制成表格存放于以SJCSB為首地址的內(nèi)存中，并按圖3b的順序存放。當(dāng)要進行升降速處理時，程序?qū)⒏鶕?jù)速度代碼及首地址SJCSI自動去查找各擋的有關(guān)參數(shù)，從而實現(xiàn)升降速處理。獲得升降速處理參數(shù)的方法是，在調(diào)用步進電動機驅(qū)動程序的各功能程序中，通過計算公式：SJCSB - 04H十偏移量偏移量=(速度代碼- 15H)×4），得到對應(yīng)速度擋的升降速處理參數(shù)的首地址，并送IX寄存器作為地址指針，再將其參數(shù)(N1、N2、S)取出暫存于(N1DY)、(N2DY)、(S1DY)、(S2DY)四個存貯單元中（圖4為某一功能程序的相步進電動機的微機控制圖），以便在步進電動機驅(qū)動程序中進行調(diào)用。
根據(jù)所述的原理和方法，整個驅(qū)動程序(INTP)分成恒速運行與升降速處理兩大部分（圖略）。在升降速處理部分又分為五個運行階段，用存放在(YXDM)單元中的控制字來劃分，01H表示以f0啟動恒速運行階段；02H表示加速階段；03H表示以f1恒速穩(wěn)定運行階段；04H表示降速階段；05H表示下降后以廠。恒速運行階段。驅(qū)動程序INTP通過很多存貯單元記憶著各種標(biāo)志，為運行提供判斷條件。
FLV系列微電機
“日本伺服”公司開發(fā)的FLV系列電機，可實現(xiàn)高精度數(shù)控，使用方便，加減速時速度平穩(wěn)，具有緩沖功能；變速范圍25～3 175r／min，利用機內(nèi)微電腦可記憶7種速度，全速范圍內(nèi)的速度一轉(zhuǎn)矩特性穩(wěn)定。 (劉利編譯自日刊《機械設(shè)計》V01.35，NO1，1991)
FICS系列控制器
日本達伊那克斯開發(fā)的FICS-98／2，98／3型控制單元，采用NEC PC9800，控制直流伺服電機、交流伺服電機、脈沖電機等實現(xiàn)超精密、超高速定位，可進行2軸、3軸控制；既可進行2軸、3軸同步控制，亦可各軸獨立控制。
(劉利編譯自日刊《機械設(shè)計》V01.35，No．4，1991)
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