1 引言

步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著緊密的本質(zhì)的聯(lián)系。步進(jìn)電機(jī)亦是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（又稱之為步進(jìn)角），為此可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。從以上所述可知，步進(jìn)電機(jī)是可以用脈沖信號(hào)直接進(jìn)行定位控制，由于其具有一定的精度，且控制線路簡(jiǎn)單，使用方便、可靠；因此它廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（掃描儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)）、照相機(jī)（包括光學(xué)照相機(jī)與數(shù)碼照相機(jī)），投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、放像機(jī)（VCD、DVD 等）、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器械、條碼掃描儀以及各種可控機(jī)械工具等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時(shí)也對(duì)步時(shí)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了更高的要求。本文就采用當(dāng)前流行的 PIC 單片機(jī)來對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制以及自適應(yīng)控制技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和討論。

2、自適應(yīng)控制原理

2.1 系統(tǒng)原理框圖

圖 1 所示為模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖。從圖中我們可以看出與典型的反饋控制系統(tǒng)的不同之處是在圖 1 中增加了參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)偏差信號(hào) e（t）=x（t）-y（t）進(jìn)入自適應(yīng)控制回路后，經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生準(zhǔn)實(shí)時(shí)的調(diào)整作用，從而改變控制器的參數(shù)，使得 x（t）-y（t）=e（t）趨向和直至等于零，此時(shí)自適應(yīng)控制調(diào)整控制器參數(shù)過程完成。

2.2 基于 PIC 單片機(jī)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制

采用 PIC 單片機(jī)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖 2 所示。

基于 PIC16F877 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

本文所討論的步進(jìn)電機(jī)為應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的 5 相混合式 90BYG550A-0301 型，其 PIC 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)的升降曲線

常見的步進(jìn)電機(jī)升降速運(yùn)行曲線有三種，即直線型、階梯型、指數(shù)型，本文僅對(duì)直線型升降速曲線進(jìn)行討論，如圖 5 所示。

這種直線型升降速運(yùn)行曲線的升（降）速的加（減）速度是恒定的，在開環(huán)控制時(shí)，由于不可能充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨速度變化的特性，故此步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)會(huì)發(fā)生失步，而本文所討論的控制系統(tǒng)中，由于反饋與自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，這個(gè)缺點(diǎn)可以得以克服。

由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著它的旋轉(zhuǎn)角速度變化，因此在整個(gè)升降速過程中，步進(jìn)電機(jī)的角加速度應(yīng)隨轉(zhuǎn)子角速度的變化而自適應(yīng)地變化。使步進(jìn)電機(jī)在不失步條件下，以最短的時(shí)間升速（降速）到給定速度，因此，尋求升降速曲線的自適應(yīng)規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確定位的關(guān)鍵。

3.2 軟件構(gòu)成

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)所要完成的功能，軟件程序主要有：故障中斷處理程序、定時(shí)移位中斷程序、步進(jìn)控制信號(hào)中斷處理程序、相序刷新和通信處理程序、升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序。

以下主要介紹升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序。圖 6 為升降速曲線自適應(yīng)控制處理程序流程圖。

4、討論

步進(jìn)電機(jī)由于是由脈沖信號(hào)控制的，所以完全可以采用開環(huán)控制方式，這在精度要求不高的場(chǎng)合，不失為一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)而可行的技術(shù)方案。但是，在開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其輸入的脈沖不依賴轉(zhuǎn)子的位置，而是事先按照一定規(guī)律給定的，控制系統(tǒng)不能跟隨運(yùn)行頻率和負(fù)載大小而調(diào)整其控制參數(shù)，這就給步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)運(yùn)行帶來一些不利因數(shù)，特別是在低頻、中頻的某些頻率點(diǎn)，將會(huì)出現(xiàn)振蕩，而在高頻區(qū)又將出現(xiàn)電磁力矩下降的情況；振蕩和電磁力矩的下降都有可能造成失步和位置控制不準(zhǔn)的后果。

閉環(huán)反饋控制加自適應(yīng)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，通過反饋和自適應(yīng)處理，按照優(yōu)化的升降運(yùn)行曲線，自動(dòng)地發(fā)出驅(qū)動(dòng)的脈沖串，不僅可使步進(jìn)電機(jī)的拖動(dòng)力矩特性有顯著提高，可獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，而且可以使步進(jìn)電機(jī)在許多其他領(lǐng)域內(nèi)獲得更大的通用性與實(shí)用性。

5、結(jié)束語

采用自適應(yīng)控制技術(shù)的 PIC 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)，可以充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)過程的快速響應(yīng)性和魯棒性都得到顯著地提高，縮短了升降速的時(shí)間，可防止失步和過沖現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所述的自適應(yīng)控制技術(shù)方案的步進(jìn)電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠地沿著所設(shè)計(jì)的曲線與性能運(yùn)行，升降速過程平穩(wěn)而快速。由于 PIC 單片機(jī)價(jià)格低廉，性能可靠，集成度高，很多外圍元件都已集成到片塊內(nèi)部，使得外圍電路很是簡(jiǎn)潔，加之指令數(shù)少而精煉，故此采用 PIC 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心處理器是一種實(shí)用與經(jīng)濟(jì)的選擇。