以PIC單片機(jī)為核心微機(jī)控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)研究

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(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)脈沖頻率來(lái)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(lái)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(guò)程完成。

圖1自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖

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。

圖2基于PIC單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)的參考模型、自適應(yīng)控制器等算法及參數(shù)調(diào)整都由軟件程序完成，模擬量r（t）等都需經(jīng)過(guò)模數(shù)變換器A/D口送入單片微處理器中，而由微處理器產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)I/O口經(jīng)功率放大器去直接控制對(duì)象的驅(qū)動(dòng)。在本文中所采用的PIC單片機(jī)為PIC16F877型。PIC16F877單片機(jī)為40引腳微處理器，其除了具有PIC系列單片機(jī)的共同特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：（1）振蕩頻率達(dá)（DC）20MHz；（2）有4KB的FLASH程序存儲(chǔ)器（14位）；（3）128字節(jié)的E2PROM數(shù)據(jù)區(qū)；（4）192字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；（5）33條I/O線；（6）3個(gè)定時(shí)器；（7）8路10位A/D口通道；（8）2個(gè)PWM輸出口。由于PIC16F877已在片中集成了這么多的外圍設(shè)備，可使控制系統(tǒng)的硬件電路更為簡(jiǎn)單，并且大大提高了系統(tǒng)的可靠性，故此其特別適合用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

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。

圖3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

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。

圖4基于PIC步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)的升降曲線

常見(jiàn)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。

圖5步進(jìn)電機(jī)直線型升降曲線

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(kāi)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(guò)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。

圖6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(kāi)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(kāi)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(kāi)環(huán)運(yùn)行帶來(lái)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(guò)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(yǔ)

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(guò)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(guò)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(guò)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。