摘要：分析了影響步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)精度的兩個(gè)重要因素，采用ATmega128微控制器設(shè)計(jì)了一種單軸步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)控制器。一方面，引入點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)方法將零點(diǎn)標(biāo)定誤差控制在最小誤差限內(nèi)；另一方面，綜合階梯型和直線型曲線實(shí)現(xiàn)加減速控制，兼顧加減速平滑性能和定長(zhǎng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器引入點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)和加減速后，定長(zhǎng)精度較高，定位速度快，定長(zhǎng)時(shí)間可靈活配置，特別適合一維定長(zhǎng)定位應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；定長(zhǎng)控制；加減速；微調(diào)粗調(diào)；ATmega128

Abstract: Analysing two important factors of the accuracy of step motor length control, author designed a single-axis step motor length controller based on microcontroller ATmega128. On the one hand, the method of jog fine tuning and jog coarse tuning is used to limit the error value of point zero calibration as small as possible; On the other hand, taking into account the acceleration and deceleration smooth performance and length control time, the ladder curve and the linear curve are integrated to implement the acceleration and deceleration control. The experimental results shows that the length controller has a good performance of high accuracy positioning, fast speed positioning and flexible control time and it‘ very suitable for the one-dimensional length positioning applications.

Key words: step motor; length control; acceleration and deceleration; fine tuning and coarse tuning; ATmega128

1 引言

       步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，其角位移和角速度分別與輸入脈沖數(shù)和脈沖頻率成正比，開(kāi)環(huán)狀態(tài)下控制簡(jiǎn)單方便，在定長(zhǎng)定位場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用^[1]。步進(jìn)電機(jī)的定長(zhǎng)控制往往是以參考零點(diǎn)為初始位置配合一定的加減速算法得以實(shí)現(xiàn)的，因此其定長(zhǎng)定位精度受兩個(gè)因素影響。第一個(gè)因素是零點(diǎn)標(biāo)定的精確性，零點(diǎn)標(biāo)定精度越高定位誤差越小，反之定位誤差越大。通常有傳感器法、專用芯片法和直接歸零法來(lái)實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)標(biāo)定，傳感器法對(duì)傳感器的安裝精度有較高要求，而后兩者都需要在目標(biāo)零點(diǎn)安裝擋板，這對(duì)電機(jī)有一定沖擊。第二個(gè)因素是加減速的平滑性能，加速度越大定位時(shí)間越短卻容易丟步，反之定位時(shí)間越長(zhǎng)但可有效避免丟步。目前有階梯型、直線線和S型曲線算法來(lái)實(shí)現(xiàn)加減速控制^[2]。階梯型曲線算法將加減速階段的總步數(shù)均分給若干頻率段，加速度物理意義不明顯，頻率臺(tái)階大容易造成電機(jī)丟步；直線型曲線算法中加減速階段每個(gè)頻率只走一步，加速度恒定但均分過(guò)細(xì)導(dǎo)致在線計(jì)算量過(guò)大或者存儲(chǔ)量過(guò)大；S型曲線算法平滑性能均要比前兩者都好，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。

       本文以兼顧精度和響應(yīng)速度為目標(biāo)，采用ATmega128微控制器設(shè)計(jì)一種單軸步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)控制器。第一，引入點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)到直接歸零法中來(lái)提高零點(diǎn)標(biāo)定的精確性；第二，綜合階梯型和直線型曲線算法，保持加速度的恒定以及減少計(jì)算量，縮短定位時(shí)間。

 2 定長(zhǎng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)

       步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由定長(zhǎng)控制器(虛線框所示)、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組成。該定長(zhǎng)控制器只輸出脫機(jī)、方向、脈沖、公共信號(hào)并接收限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，它結(jié)合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)組成定長(zhǎng)控制系統(tǒng)。

圖1 步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

      該定長(zhǎng)控制器采用ATmega128^[3]單片機(jī)作為核心控制單元，其128KB的Flash和4KB的EEPROM足夠滿足步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)定位需求。3×6矩陣鍵盤(pán)模塊中包括0~9數(shù)字、系統(tǒng)、確定、返回、清除等按鍵，6根列線通過(guò)內(nèi)部上拉到PB0~PB5引腳，3根行線直接接到PE5~PE7，利用行掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的檢測(cè)；獨(dú)立式按鈕模塊中包括電源開(kāi)關(guān)、調(diào)試、點(diǎn)動(dòng)正、點(diǎn)動(dòng)反、歸零、急停等按鈕，通過(guò)5KΩ電阻上拉到電源；段式液晶顯示模塊包括一塊6位8字的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)段式液晶屏EDS810、LED指示燈以及7片級(jí)聯(lián)的串入并出芯片74HC595，其中6片用來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶屏每一位的段碼，最后一片驅(qū)動(dòng)LED指示燈，利用PC0~PC3對(duì)該模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。微控制器ATmega128從PA7和PA6輸出脫機(jī)和方向信號(hào)，從PE4輸出脈沖信號(hào)，這三路信號(hào)經(jīng)過(guò)74LS07高壓驅(qū)動(dòng)芯片放大后送給外部驅(qū)動(dòng)器。

3 定長(zhǎng)控制器的軟件設(shè)計(jì)

       重點(diǎn)介紹軟件設(shè)計(jì)中的點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)和加減速曲線的實(shí)現(xiàn)，以便兼顧定長(zhǎng)定位精度和定長(zhǎng)時(shí)間。

      3.1點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)的實(shí)現(xiàn)

       采用點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)引入到直接歸零法來(lái)減小零點(diǎn)標(biāo)定誤差，提高定位精度。點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)實(shí)質(zhì)上是一種分辨率為單位Hz、調(diào)節(jié)范圍為f_min~f_max的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行方式。在這種運(yùn)行方式中，按住點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)定長(zhǎng)控制器發(fā)送脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，松開(kāi)點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)定長(zhǎng)控制器停止發(fā)送脈沖制動(dòng)電機(jī)。點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)有兩個(gè)好處：第一：調(diào)節(jié)范圍連續(xù)平滑，在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可設(shè)置任意頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，適合于不同負(fù)載場(chǎng)合；第二，步進(jìn)精度高，當(dāng)點(diǎn)動(dòng)頻率設(shè)置為f_min時(shí)，其最低的驅(qū)動(dòng)頻率可以達(dá)到10Hz，假設(shè)點(diǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0.5s，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了5個(gè)步距角(如果沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng))，精細(xì)的步距角可以保證零點(diǎn)標(biāo)定誤差在一個(gè)比較小的絕對(duì)誤差限中。點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)的具體做法是，在目標(biāo)零點(diǎn)安裝擋板、刻線等零點(diǎn)指示標(biāo)志，設(shè)置一個(gè)比較高的頻率進(jìn)行粗調(diào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)逼近目標(biāo)零點(diǎn)，然后以一個(gè)比較低的頻率反復(fù)進(jìn)行微調(diào)，直到步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到零點(diǎn)指示標(biāo)志處。

       3.2加減速曲線算法的實(shí)現(xiàn)

       采用加減速控制的目的是克服步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)階段的慣性力矩，防止啟動(dòng)丟步和制動(dòng)過(guò)沖，因此良好的加減速控制對(duì)定位精度意義重大。結(jié)合階梯型和直線型加減速曲線，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)階段的加速控制和制動(dòng)階段的減速控制。加速時(shí)，在給定的加速a下步進(jìn)電機(jī)從最大啟動(dòng)頻率f₁開(kāi)始運(yùn)行△S₁個(gè)步距角切換到f₂，f₂運(yùn)行△S₂個(gè)步距角切換到f₃，…，直至切換到設(shè)定頻率f_s，f_n-1、f_n、△S_n以及a滿足勻直線加速的約束；減速時(shí)，控制步驟與加速時(shí)步驟相反。

      介紹加減速曲線算法的具體實(shí)現(xiàn)。約定初始狀態(tài)為：最大啟動(dòng)頻率為f₁=1000Hz，設(shè)定頻率f_s為最大運(yùn)行頻率為f_max=20000Hz，初始步進(jìn)間隔為△S₁=30，加速度a=1000Hz/s，由式子f_n²=f₁²+2aS，并根據(jù)每個(gè)頻率段上定的步數(shù)△S，可以推算出總步數(shù)S、該段上的運(yùn)行頻率f_n。

      (1)取△S₁=30，則S=30，f₂²=1000²+2×1000×30，推出f₂=1030(Hz)；

      (2)取△S₂=30，則S=60，f₃²=1000²+2×1000×60，推出f₃=1058(Hz)；

      (3)取△S₃=30，則S=90，f₄²=1000²+2×1000×90，推出f₄=1086(Hz)；

      (以后每隔5個(gè)頻率段，△S_n就增加30步)

      ……

      (255)取△S₂₅₅=1530，則S=198900，f₂₅₆²=1000²+2×1000×198900，推出f₂₅₆=19970(Hz)；

      (256)取△S₂₅₆=1560，則S=200460，f₂₅₇²=1000²+2×1000×200460，推出f₂₅₇=20048(Hz)；由于20048(Hz)>20000(Hz)，計(jì)算停止。將上面得到的總步數(shù)S，分段頻率f_n，分段步數(shù)△S_n形成一張步進(jìn)電機(jī)加減速步進(jìn)頻率和步進(jìn)間隔表，如表1所示。

表1  步進(jìn)電機(jī)加減速步進(jìn)頻率和步進(jìn)間隔表

      加速時(shí)，從啟動(dòng)頻率f₁至設(shè)定頻率f_s依次取步進(jìn)頻率f_n和步進(jìn)間隔△S_n，實(shí)時(shí)判斷是否需要更新步進(jìn)頻率和步進(jìn)間隔；加速完畢后如果存在勻速階段，以設(shè)定頻率f_s勻速運(yùn)行至減速點(diǎn)；減速時(shí)，從設(shè)定頻率f_s至啟動(dòng)頻率f₁依次取f_n和△S_n，實(shí)時(shí)判斷是否需要更新步進(jìn)頻率和步進(jìn)間隔，當(dāng)f₁的步進(jìn)間隔走完時(shí)電機(jī)立刻制動(dòng)。

      3.3定長(zhǎng)控制方案

       結(jié)合設(shè)定參數(shù)和加減速曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的定長(zhǎng)控制，設(shè)定參數(shù)通常包括長(zhǎng)度L(脈沖數(shù))、速度f(wàn)_s(Hz)、加速度等級(jí)a_n(n取1~5)以及方向等。首先，在定長(zhǎng)控制器中內(nèi)置如圖2(a)所示的5條加減速曲線(取f₁=1000Hz，f_max=20000Hz，a_n=(1000*n)Hz/s)，用戶只能選擇這5種加速度當(dāng)中的一種，按照加減速曲線算法形成每條曲線的步進(jìn)電機(jī)加減速步進(jìn)頻率和步進(jìn)間隔表，并存入ATmega128的Flash中。其次，根據(jù)加速度等級(jí)、速度、長(zhǎng)度三個(gè)參數(shù)來(lái)判斷是否存在勻速階段。查表后計(jì)算出加速階段的總步數(shù)S，一般會(huì)出現(xiàn)四種情況：當(dāng)f_s<= f₁時(shí)，加減速?zèng)]有意義，步進(jìn)電機(jī)直接以設(shè)定頻率f_s啟動(dòng)走完長(zhǎng)度L；當(dāng)f_s> f₁且L>2S時(shí)，存在勻速階段，對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施如圖2(b)所示的軌跡控制；當(dāng)f_s> f₁且L=2S時(shí)，只存在加減速階段，對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施如圖2(c)所示的軌跡控制；當(dāng)f_s> f₁且L<2S時(shí)，參數(shù)設(shè)置欠合理，將設(shè)定速度f(wàn)_s替換為最大啟動(dòng)頻率f₁對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施如圖2(d)所示的軌跡控制，步進(jìn)電機(jī)以f₁直接啟動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩足夠大可以克服慣性力矩。

圖2  不同設(shè)定參數(shù)下的定長(zhǎng)控制軌跡

       3.4附加功能

       步進(jìn)定長(zhǎng)控制器具有單位長(zhǎng)度脈沖數(shù)設(shè)定、程序分組、分組延時(shí)、分組循環(huán)、掉電記憶以及歸零等功能。單位長(zhǎng)度脈沖數(shù)是指單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)量，其設(shè)定值依步進(jìn)電機(jī)軸端的連結(jié)結(jié)構(gòu)不同而不同；一個(gè)目標(biāo)對(duì)象可能需要在不同位置進(jìn)行切刀動(dòng)作，程序分組可以滿足這個(gè)要求，每一條程序由長(zhǎng)度、速度、方向、加速度等級(jí)四個(gè)參數(shù)組成，可以設(shè)定1~50條程序，可根據(jù)生產(chǎn)工藝一次編完程序；分組延時(shí)用來(lái)設(shè)定每條程序之間的延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間內(nèi)可以人工手動(dòng)或者控制器自動(dòng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象切刀；分組循環(huán)是為了滿足連續(xù)加工多個(gè)目標(biāo)對(duì)象的要求，可以設(shè)定1~9999次循環(huán)；掉電記憶主要將當(dāng)前的各個(gè)分組參數(shù)以及當(dāng)前的定長(zhǎng)長(zhǎng)度存入ATmega128的EEPROM中；歸零能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)退回至目標(biāo)零點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

       為了驗(yàn)證基于ATmega128的單軸步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)控制器的定長(zhǎng)精度和定長(zhǎng)時(shí)間，將其應(yīng)用于滾珠絲杠定長(zhǎng)場(chǎng)合并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試和分析。測(cè)試平臺(tái)為定長(zhǎng)控制器、SH2034D高壓高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、85BYGH四相混合式步進(jìn)電機(jī)以及行程為50cm的滾珠絲杠。

      (1)    定長(zhǎng)精度測(cè)試

      定長(zhǎng)控制前先完成滾珠絲杠零點(diǎn)標(biāo)定和單位長(zhǎng)度脈沖換算。零點(diǎn)標(biāo)定采用點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)方法進(jìn)行，將滾珠絲杠螺母調(diào)試至目標(biāo)零點(diǎn)；零點(diǎn)標(biāo)定后固定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)(固定為8細(xì)分)并進(jìn)行單位長(zhǎng)度脈沖換算，任意設(shè)定一單位長(zhǎng)度脈沖數(shù)N₁(如500個(gè)脈沖量/cm)和定長(zhǎng)長(zhǎng)度L₁(如30.5cm)，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)滾珠絲剛并記錄絲杠螺母執(zhí)行長(zhǎng)度L₁^’，重復(fù)上述步驟得到測(cè)量數(shù)據(jù)(L₁^’,N₁*L₁) 、(L₂^’,N₂*L₂)、…、(L_n^’,N_n*L_n)，利用最小二乘法計(jì)算優(yōu)化的單位長(zhǎng)度脈沖數(shù)量N_opt并重設(shè)該參數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量和運(yùn)算，單位長(zhǎng)度脈沖量為565個(gè)脈沖量/cm。上述步驟結(jié)束后，選擇不同的加速度等級(jí)，設(shè)定好長(zhǎng)度、速度、方向后測(cè)試絲杠螺母的執(zhí)行長(zhǎng)度，測(cè)試結(jié)果如表2。

表2  定長(zhǎng)長(zhǎng)度設(shè)定值及測(cè)試值

      (2)定長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試

       定長(zhǎng)時(shí)間由加速時(shí)間、勻速時(shí)間以及減速時(shí)間組成。對(duì)于存在加減速的情況，在給定的加速a、設(shè)定頻率f_s以及設(shè)定長(zhǎng)度L_s下，理論加速時(shí)間t_r和理論減速時(shí)間t_d相等，其值等于t_r=t_d=(f_s-f₁)/a，理論勻速時(shí)間為t_m=(L_s*N_opt-(f₁+f_s)*t_r)/f_s，則理論定長(zhǎng)時(shí)間t_c=t_r+t_d+t_m。對(duì)于只不存在加減速的情況，理論定長(zhǎng)時(shí)間t_c= L_s*N_opt /f_s。定長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如表3。

表3  定長(zhǎng)時(shí)間理論值及其測(cè)試值

      (3)結(jié)果分析

       表2的測(cè)試結(jié)果表明定長(zhǎng)控制器有著較高的定長(zhǎng)精度，所有測(cè)試值與設(shè)定值的絕對(duì)誤差穩(wěn)定在0.1cm附近；設(shè)定加速度和設(shè)定頻率偏高時(shí)，誤差有所偏高。表3的測(cè)試結(jié)果顯示定長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試值與理論值吻合度很高，這滿足步進(jìn)電機(jī)加減速曲線算法規(guī)律，為用戶靈活控制定長(zhǎng)時(shí)間提供了機(jī)會(huì)。值得注意的一點(diǎn)，表3中測(cè)試編號(hào)為2的數(shù)據(jù)中，由于設(shè)定頻率偏高而設(shè)定長(zhǎng)度偏短步進(jìn)電機(jī)將以f₁直接勻速運(yùn)動(dòng)，這符合設(shè)計(jì)的定長(zhǎng)控制方案。

 5 結(jié)論

       采用ATmega128的單軸步進(jìn)電機(jī)定長(zhǎng)控制器在滾珠絲杠應(yīng)用場(chǎng)合得到了良好的應(yīng)用，控制性能很高特別適合于一維定長(zhǎng)定位場(chǎng)合。該控制器的優(yōu)勢(shì)在于：第一，采用點(diǎn)動(dòng)微調(diào)粗調(diào)可以將零點(diǎn)誤差控制在幾個(gè)單位步距角內(nèi)，間接提高了定長(zhǎng)精度；第二，采用綜合了階梯型和直線型加減速曲線算法，參數(shù)設(shè)置合理時(shí)不僅可有效避免帶負(fù)載中的丟步或者過(guò)沖現(xiàn)象而且定長(zhǎng)時(shí)間較短；第三，能夠根據(jù)輸入?yún)?shù)控制器可以智能地選擇合理定長(zhǎng)控制方案；第四，加速物理意義明顯理論定長(zhǎng)時(shí)間可計(jì)算，有助于用戶靈活配置定長(zhǎng)時(shí)間。