單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在燈光控制中應(yīng)用

1、-. z單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在燈光控制中的應(yīng)用摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)易出現(xiàn)失步、低頻振動(dòng)及易受外界電磁干擾而影響步進(jìn)電機(jī)的正常工作，從步進(jìn)電機(jī)本身的特性和控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面分析了問題出現(xiàn)的原因，提出了電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)微步驅(qū)動(dòng)的解決方案，并在舞臺(tái)燈光控制中實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行&關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；失步；低頻振動(dòng)；燈光步進(jìn)電機(jī)是一種輸入與輸出數(shù)字脈沖相對(duì)應(yīng)的增量運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件，具有快速啟動(dòng)、停頓、正反轉(zhuǎn)及變速、無累積誤差的準(zhǔn)確步進(jìn)以及可以用數(shù)字量直接控制等優(yōu)點(diǎn)，且其步距角和轉(zhuǎn)速受工作環(huán)境的影響較小，因此在工業(yè)控制過程及儀表中得到廣泛應(yīng)用&隨著系統(tǒng)數(shù)字化，工業(yè)控制精度要求的提高，對(duì)過程控制的精度

2、、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性也提出了更高的要求&步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在低頻振動(dòng)、噪聲及可能存在的失步等不僅影響了步進(jìn)電機(jī)的定位精度，同時(shí)也影響其平穩(wěn)運(yùn)行，從而限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用圍&針對(duì)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)造成步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)失步、振動(dòng)以及產(chǎn)生噪聲和電磁干擾的原因，提出了單片機(jī)控制系統(tǒng)中確保步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)正確運(yùn)行的解決方案，并將此解決方案成功用于燈光的控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的失步分析由于步進(jìn)電機(jī)及所帶負(fù)載存在慣性，在實(shí)際變速運(yùn)行中，有時(shí)出現(xiàn)停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度跟不上控制脈沖速度，出現(xiàn)失步。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)失步的積累不僅影響步進(jìn)電機(jī)的重復(fù)定位的進(jìn)度，也容易造成步進(jìn)電機(jī)偏離正確的速度運(yùn)行曲線&步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一

3、般要經(jīng)過升頻、恒速、降頻等過程，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在加速和減速過程中，如果其上升和下降控制頻率大于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率步進(jìn)電機(jī)就會(huì)失步，從而引起步進(jìn)電機(jī)瞬間的停轉(zhuǎn)，對(duì)系統(tǒng)的工作產(chǎn)生較大的影響!因此在步進(jìn)電機(jī)的變速運(yùn)行中，正確選擇步進(jìn)電機(jī)的控制頻率是十分重要的!當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于恒速運(yùn)行時(shí)，控制脈沖頻率超過步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率同樣會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)失步!步進(jìn)電機(jī)的步距角不均勻也容易引起步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和失步!理論上驅(qū)動(dòng)電路假設(shè)能確保繞組電流的準(zhǔn)確性，也就保證了定子電流矢量的幅值與空間位置的穩(wěn)定!而實(shí)際情況是，氣隙磁場(chǎng)是定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁鋼通過定子、轉(zhuǎn)子鐵芯共同感應(yīng)的結(jié)果，情況要復(fù)雜的多!由于齒槽情況、鐵芯材料、邊界條件

4、等因素的存在會(huì)導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)偏離預(yù)期情況，這將使氣隙磁場(chǎng)不能跟隨電流矢量均勻旋轉(zhuǎn)，也就難以保持實(shí)際幅值跟理論計(jì)算的完全對(duì)應(yīng)，從而引起步距角的不均勻!同時(shí)由于負(fù)載力矩也在隨時(shí)變化，電機(jī)的失調(diào)角也隨之變化，這在開環(huán)系統(tǒng)中是無法糾正的!另外微步距角的不均勻性和失調(diào)角隨負(fù)載變動(dòng)也極降低了開環(huán)系統(tǒng)的線性定位精度*!在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)中，工作時(shí)序和工作狀態(tài)與步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際情況不一致將會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的失步和振動(dòng)!另外在步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)過程中，如果啟動(dòng)力矩不夠也會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)失步甚至停轉(zhuǎn)!步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)噪聲和單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾分析步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的不穩(wěn)定主要受兩個(gè)方面的影響，一是步進(jìn)電機(jī)本身的

5、機(jī)械特性所致，另一方面是控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身受外界環(huán)境因素和程序構(gòu)造等方面產(chǎn)生的影響!步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在的低頻振動(dòng)即轉(zhuǎn)子的振蕩現(xiàn)象，會(huì)引起齒輪碰撞，產(chǎn)生噪聲!這種噪聲是步進(jìn)電機(jī)的固有特性造成的；同時(shí)步進(jìn)電機(jī)還存在諧振點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達(dá)其機(jī)械諧振點(diǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧振和噪聲；另外步進(jìn)電機(jī)在高頻啟動(dòng)和停頓時(shí)也會(huì)因?yàn)閺?qiáng)烈的沖擊產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲!電磁干擾將有可能使單片機(jī)控制系統(tǒng)工作發(fā)生紊亂，使單片機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作甚至死機(jī)等，嚴(yán)重影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性!單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的干擾源主要來自外部電源、部電源、印制板自制干擾、空中周圍電磁場(chǎng)干擾、外部干擾通過口輸入等!干擾信號(hào)可以通過公共導(dǎo)線、電容、相

6、鄰導(dǎo)線的互感以及空間輻射等途徑從干擾源耦合到敏感元件上&!這里只對(duì)幾種在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中影響比擬突出的幾個(gè)方面加以分析!供電干擾!工作時(shí)，交流電網(wǎng)負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生幅值較大的瞬變電壓波經(jīng)由直流穩(wěn)壓電源進(jìn)入電子控制回路，從而影響單片機(jī)供電電源的穩(wěn)定!單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路之間，驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過線路竄入單片機(jī)，使單片機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)多步或失步現(xiàn)象!步進(jìn)電機(jī)的電樞繞組通斷頻繁，當(dāng)通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的電壓電流的梯度變化，導(dǎo)致磁場(chǎng)耦合，形成嚴(yán)重的電磁干擾!當(dāng)電樞繞組斷電時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)突然消失會(huì)產(chǎn)生很高的瞬變電壓竄入控制回路，對(duì)系統(tǒng)中其它電子裝置產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊甚至損壞元件!布線

7、不合理!同一回路或不同回路間布線不合理時(shí)容易產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，形成電磁干擾!確保步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的解決方案從前面的分析知道，容易引起失步和振動(dòng)的共同因素是步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，為了使步進(jìn)電機(jī)平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，可在電機(jī)軸上加磁性阻尼器及采用尼龍齒輪等可以在較大程度上改善電機(jī)的振動(dòng)，另外減小步進(jìn)電機(jī)的步距角也可使得步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定平滑!減小步距角一是可以選擇小步距角的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但由于受工藝和生產(chǎn)本錢限制，步距角不可能足夠??；另一種方法是改變電機(jī)繞組中的電流狀態(tài)數(shù)，即采用微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)!步進(jìn)電機(jī)的微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，確保步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)

8、提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度!在綜合前面的分析的根底上主要從以下四個(gè)方面提出了確保步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的解決方案!3.1微步電流曲線在大量微步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，結(jié)合步距角的不均勻性對(duì)步進(jìn)電機(jī)失步的影響，采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法是比擬理想的!以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，通過對(duì)電機(jī)!、 兩相繞組加上正弦電流來實(shí)現(xiàn)定子電流合成矢量的恒幅、均勻，微步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的兩相繞組電流的數(shù)學(xué)模型表示為：attachment=7064 微步參數(shù)可以預(yù)先計(jì)算出來，以表格的形式存儲(chǔ)在中，進(jìn)展查表獲得參數(shù)值，通過微步的方式來實(shí)現(xiàn)頻率的改變，因?yàn)椴恍枰?jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，就不會(huì)過多占用的時(shí)間，同時(shí)這種方式還可以擬合出更接近理想變化曲線的頻

9、率變化來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加速和減速的平穩(wěn)控制!另外采用這種細(xì)分方法也在很大程度上解決了微步距角的不均勻性問題，這將廣泛用于精度要求不是特別高的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中!attachment=70653.2 驅(qū)動(dòng)線路的選擇防止失步和減小振動(dòng)的另一措施在于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)!步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，包括單、雙電壓驅(qū)動(dòng)，上下電壓驅(qū)動(dòng)，0橋驅(qū)動(dòng)，升頻升壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制恒流驅(qū)動(dòng)等!由于微步驅(qū)動(dòng)需要控制相繞組電流的大小，因此只有單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)以及恒流驅(qū)動(dòng)的適合微步驅(qū)動(dòng)控制!單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)方式由于串接的電阻導(dǎo)致電路時(shí)間常數(shù)降低，截止時(shí)續(xù)回流時(shí)間常數(shù)大幅度下降，從而加速電流泄放，有利

10、于提高步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)，同時(shí)也因?yàn)榛芈吩黾拥淖枘崂跍p少電機(jī)的共振，但其主要缺點(diǎn)是損耗大，效率低；采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流上升很快，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需要的數(shù)值時(shí)，由于取樣電阻反應(yīng)控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率圍電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)的另一優(yōu)點(diǎn)是減少了電機(jī)共振現(xiàn)象的發(fā)生!由于電機(jī)共振的根本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動(dòng)輸入的能量是自動(dòng)隨著繞組電流調(diào)節(jié)!能量過剩時(shí)，續(xù)流時(shí)間延長(zhǎng)，而供電時(shí)間減小，因此可減小能量的積聚恒流驅(qū)動(dòng)用數(shù)字脈沖直接控制電流波形的占空比，比斬波恒流驅(qū)動(dòng)的電路更簡(jiǎn)單，也更適合于單片機(jī)直接采用數(shù)

11、字信號(hào)控制2，3!因此選擇采用恒流驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器!3.3 加速曲線的選擇在控制步進(jìn)電機(jī)的失步方面，步進(jìn)電機(jī)的加速曲線也非常重要!加速的規(guī)律一般有兩種，一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速!按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值!從電機(jī)本身的特性來看，在轉(zhuǎn)速不是很高的圍，輸出的轉(zhuǎn)矩可根本認(rèn)為恒定!但實(shí)際上電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減少，因此輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速，加速度逐漸下降，接近電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律!微機(jī)在控制步進(jìn)電機(jī)的加速過程中，可用離散方法來逼近理想的升降曲線!3.4 減輕電磁干擾的措施針對(duì)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)電磁干擾方面主要采取以下一些措施：在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中參加光電隔離電路可以有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在驅(qū)動(dòng)回路中降低-,45)6開關(guān)的導(dǎo)通速度，這樣可以減小產(chǎn)生電磁干擾的強(qiáng)度，也可添加+.吸收回路，抑制浪涌的產(chǎn)生；合理選擇主變壓器的鐵芯構(gòu)造，降低