步進電機(脈沖電動機)是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，是數字控制的一種執(zhí)行元件，其可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點，因此具有瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越特性。步進電機在各種應用場合下最大的優(yōu)勢是：可以開環(huán)方式控制而無需反饋就能對位置和速度進行控制，但也正是因為負載位置對控制電路沒有反饋，步進電機就必須正確響應每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置出現永久誤差，即發(fā)生失步現象或過沖現象。因此步進電機開環(huán)控制系統中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統能否正常運行的關鍵。

      本設計使用SPMC75F2413A作為該系統設計的控制器。SPMC75F2413A是μ’nSPTM系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。本設計中由SPMC75F2413產生脈沖信號，驅動電路使用由Allergo公司生產的兩相步進電機專用驅動器SLA7042M構成步進電機的驅動電路，執(zhí)行機構是兩相混合式步進電機。

1 步進電機加減速控制原理

      S曲線加減速將傳統的3段加減速過程變?yōu)?段加減速過程，形成S字形，如圖1所示。加速段由加加速度段(T1)、勻加速度段(T2)、減加速度段(T3)組成；減速段由加減速度段(T5)、勻減速度段(T6)、減減速度段(T7)組成；而勻速段為(T4)。

      在步進電機的控制系統中，給一個電脈沖信號，步進電機就轉動一個角度或前進一步，如輸人為脈沖數N，在規(guī)定的時間T內，其頻率即為f。驅動脈沖的頻率f隨時間t有：

式中，fm為步進電機的最高連續(xù)頻率，τ是決定升速快慢的時間常數，實際工作中可由實驗來確定，已知系統達到勻速時的速度和系統達到最大速度所用的時間。

      本系統使用單片機定時中斷方式控制步進電機的速度，在升降速控制時，實際上是不斷改變定時器的裝載值的大小。

      將升速過程離散處理，在設計中將加速時間固定為T=T1+T2+T3，為使說明方便，令T2=0。這時加速段由3個變?yōu)?個，即加加速段與減加速段。將T等分為40個時間相同的時間段，即將加加速時間T1分為20等分，將加減速時間T3分為20等分。則兩次速度變化的間隔時間為△t=T／40，則每一檔的頻率可由式(1)計算得出，在每一檔頻率下步進電機所執(zhí)行的步數也可通過計算得出。

2 系統硬件設計

圖2為系統硬件設計結構框圖。

      圖2中，SPMC75F2413A是一款系列產品的16位結構的微控制器。在4．5-5．5 V工作電壓范圍內的工作速度為0-24 MHz，擁有2 K字SRAM和32 K字閃存ROM；IOA～IOD4組64位可編程I／O端口，5個通用16位定時器／計數器。該系統采用S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0～IOB3位作為控制信號的輸出端口，IOB4位作為光電傳感器的輸入端口。

      步進電機易于與數字電路接口，但一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動電機。因此，必須有一個與之匹配的驅動器來驅動步進電機。驅動器通過給電機繞組提供特定的激磁電流，告訴電機需要運行多少微步。步進電機運行在整步模式時，因為剛好與電機的機械設計特點相吻合。此時定轉子齒正好完全對齊，且繞組中流過的電流最大，步距角也最大。隨著細分數的增加，步矩角相應減小。