SPMC75F2413A单片机的步进电机加减速控制

      步进电机(脉冲电动机)是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，是数字控制的一种执行元件，其可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此具有瞬间启动与急速停止的优越特性。步进电机在各种应用场合下最大的优势是：可以开环方式控制而无需反馈就能对位置和速度进行控制，但也正是因为负载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。

      本设计使用SPMC75F2413A作为该系统设计的控制器。SPMC75F2413A是μ’nSPTM系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一个 16位结构的微控制器。本设计中由SPMC75F2413产生脉冲信号，驱动电路使用由Allergo公司生产的两相步进电机专用驱动器SLA7042M 构成步进电机的驱动电路，执行机构是两相混合式步进电机。

1、步进电机加减速控制原理

      S曲线加减速将传统的3段加减速过程变为7段加减速过程，形成S字形，如图1所示。加速段由加加速度段(T1)、匀加速度段(T2)、减加速度段(T3)组成；减速段由加减速度段(T5)、匀减速度段(T6)、减减速度段(T7)组成；而匀速段为(T4)。

      在步进电机的控制系统中，给一个电脉冲信号，步进电机就转动一个角度或前进一步，如输人为脉冲数N，在规定的时间T内，其频率即为f。驱动脉冲的频率f随时间t有：

      式中，fm为步进电机的最高连续频率，τ是决定升速快慢的时间常数，实际工作中可由实验来确定，已知系统达到匀速时的速度和系统达到最大速度所用的时间。

      本系统使用单片机定时中断方式控制步进电机的速度，在升降速控制时，实际上是不断改变定时器的装载值的大小。

      将升速过程离散处理，在设计中将加速时间固定为T=T1+T2+T3，为使说明方便，令T2=0。这时加速段由3个变为2个，即加加速段与减加速段。将T 等分为40个时间相同的时间段，即将加加速时间T1分为20等分，将加减速时间T3分为20等分。则两次速度变化的间隔时间为△t=T／40，则每一档的频率可由式(1)计算得出，在每一档频率下步进电机所执行的步数也可通过计算得出。

2、系统硬件设计

      图2为系统硬件设计结构框图。

      图2中，SPMC75F2413A是一款系列产品的16位结构的微控制器。在4．5-5．5 V工作电压范围内的工作速度为0-24 MHz，拥有2 K字SRAM和32 K字闪存ROM；IOA～IOD4组64位可编程I／O端口，5个通用16位定时器／计数器。该系统采用S17MC75F2413A的IOB端口的 IOB0～IOB3位作为控制信号的输出端口，IOB4位作为光电传感器的输入端口。

      步进电机易于与数字电路接口，但一般数字电路的信号能量远远不足以驱动电机。因此，必须有一个与之匹配的驱动器来驱动步进电机。驱动器通过给电机绕组提供特定的激磁电流，告诉电机需要运行多少微步。步进电机运行在整步模式时，因为刚好与电机的机械设计特点相吻合。此时定转子齿正好完全对齐，且绕组中流过的电流最大，步距角也最大。随着细分数的增加，步矩角相应减小。