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单片机控制步进电机在灯光控制中的应用

文章出处: 人气:发表时间:2018-07-02 16:15
摘要:单片机控制易出现失步、低频振动及易受外界电磁干扰而影响步进电机的正常工作,从步进电机本身的特性和控制驱动系统等方面分析了问题出现的原因,提出了电流矢量恒幅均匀旋转微步驱动的解决方案,并在舞台灯光控制中实现了步进电机的稳定运行
步进电机是一种输入与输出数字脉冲相对应的增量运动执行元件,具有快速启动、停止、正反转及变速、无累积误差的精确步进以及可以用数字量直接控制等优点,且其步距角和转速受工作环境的影响较小,因此在工业控制过程及仪表中得到广泛应用&随着系统数字化,工业控制精度要求的提高,对过程控制的精度、实时性、稳定性也提出了更高的要求&步进电机运行时存在低频振动、噪声及可能存在的失步等不仅影响了步进电机的定位精度,同时也影响其平稳运行,从而限制了步进电机的应用范围&针对单片机控制步进电机造成步进电机工作时出现失步、振动以及产生噪声和电磁干扰的原因,提出了单片机控制系统中确保步进电机平稳正确运行的解决方案,并将此解决方案成功用于灯光的控制系统。
1 步进电机的失步分析
由于步进电机及所带负载存在惯性,在实际变速运行中,有时出现停转现象,即步进电机的响应速度跟不上控制脉冲速度,出现失步。步进电机运行时失步的积累不仅影响步进电机的重复定位的进度,也容易造成步进电机偏离正确的速度运行曲线&步进电机的运行一般要经过升频、恒速、降频等过程,当步进电机在加速和减速过程中,如果其上升和下降控制频率大于步进电机的启动频率步进电机就会失步,从而引起步进电机瞬间的停转,对系统的工作产生较大的影响!因此在步进电机的变速运行中,正确选择步进电机的控制频率是十分重要的!当步进电机处于恒速运行时,控制脉冲频率超过步进电机的运行频率同样会造成步进电机失步!
步进电机的步距角不均匀也容易引起步进电机的振动和失步!理论上驱动电路若能确保绕组电流的准确性,也就保证了定子电流矢量的幅值与空间位置的稳定!而实际情况是,气隙磁场是定子磁势与转子磁钢通过定子、转子铁芯共同感应的结果,情况要复杂的多!由于齿槽情况、铁芯材料、边界条件等因素的存在会导致气隙磁场偏离预期情况,这将使气隙磁场不能跟随电流矢量均匀旋转,也就难以保持实际幅值跟理论计算的完全对应,从而引起步距角的不均匀!同时由于负载力矩也在随时变化,电机的失调角也随之变化,这在开环系统中是无法纠正的!另外微步距角的不均匀性和失调角随负载变动也极大地降低了开环系统的线性定位精度!在实现步进电机控制系统的软件系统中,工作时序和工作状态与步进电机的实际情况不一致将会导致步进电机的失步和振动!另外在步进电机的启动过程中,如果启动力矩不够也会引起步进电机失步甚至停转!
2 步进电机的振动噪声和单片机
控制驱动系统电磁干扰分析步进电机运行时的不稳定主要受两个方面的影响,一是步进电机本身的机械特性所致,另一方面是控制驱动系统本身受外界环境因素和程序结构等方面产生的影响!步进电机运行时存在的低频振动即转子的振荡现象,会引起齿轮碰撞,产生噪声!这种噪声是步进电机的固有特性造成的;同时步进电机还存在谐振点,当转子转速达到其机械谐振点时就会产生谐振和噪声;另外步进电机在高频启动和停止时也会因为强烈的冲击产生振动和噪声!
电磁干扰将有可能使单片机控制系统工作发生紊乱,使单片机产生误动作甚至死机等,严重影响步进电机运行的稳定性!单片机控制步进电机的驱动系统产生电磁干扰的干扰源主要来自外部电源、内部电源、印制板自制干扰、空中周围电磁场干扰、外部干扰通过I/O口输入等!干扰信号可以通过公共导线、电容、相邻导线的互感以及空间辐射等途径从干扰源耦合到敏感元件上!这里只对几种在驱动系统中影响比较突出的几个方面加以分析!
(1)供电干扰!工作时,交流电网负载突变时产生幅值较大的瞬变电压波经由直流稳压电源进入电子控制回路,从而影响单片机供电电源的稳定!
(2)单片机与步进电机驱动回路之间,驱动回路产生的干扰信号通过线路窜入单片机,使单片机产生误动作,从而导致步进电机出现多步或失步现象!
(3)步进电机的电枢绕组通断频繁,当通电时,会产生较大的电压电流的梯度变化,导致磁场耦合,形成严重的电磁干扰!当电枢绕组断电时,线圈中的磁场突然消失会产生很高的瞬变电压窜入控制回路,对系统中其它电子装置产生相当大的电能冲击甚至损坏元件!
(4)布线不合理!同一回路或不同回路间布线不合理时容易产生感生电动势,形成电磁干扰!
3 确保步进电机稳定运行的解决方案
从前面的分析知道,容易引起失步和振动的共同因素是步进电机的低频振动,为了使步进电机平滑运转,可在电机轴上加磁性阻尼器及采用尼龙齿轮等可以在较大程度上改善电机的振动,另外减小步进电机的步距角也可使得步进电机运行更加稳定平滑!减小步距角一是可以选择小步距角的步进电机来实现,但由于受工艺和生产成本限制,步距角不可能足够小;另一种方法是改变电机绕组中的电流状态数,即采用微步驱动技术来实现!步进电机的微步驱动技术实质上是一种电子阻尼技术,其主要目的是减弱步进电机的低频振动,确保步进电机的平稳运行,同时提高步进电机的运转精度!在综合前面的分析的基础上主要从以下四个方面提出了确保步进电机稳定运行的解决方案!
3.1微步电流曲线
在大量微步驱动系统中,结合步距角的不均匀性对步进电机失步的影响,采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法是比较理想的!以两相混合式步进电机为例,通过对电机!、" 两相绕组加上正弦电流来实现定子电流合成矢量的“恒幅、均匀”,微步进旋转的两相绕组电流的数学模型表示为:

微步参数可以预先计算出来,以表格的形式存储在EPROM中,进行查表获得参数值,通过微步的方式来实现频率的改变,因为不需要经过复杂的计算,就不会过多占用CPU的时间,同时这种方式还可以拟合出更接近理想变化曲线的频率变化来实现步进电机的加速和减速的平稳控制!另外采用这种细分方法也在很大程度上解决了微步距角的不均匀性问题,这将广泛用于精度要求不是特别高的步进电机的控制系统中!

3.2 驱动线路的选择

避免失步和减小振动的另一措施在于驱动系统的设计!步进电机的驱动方式有很多种,包括单、双电压驱动,高低电压驱动,0桥驱动,升频升压驱动、斩波恒流驱动和脉宽调制(PWM)恒流驱动等!由于微步驱动需要控制相绕组电流的大小,因此只有单电压串电阻驱动、斩波恒流驱动以及PWM恒流驱动的适合微步驱动控制!单电压串电阻驱动方式由于串接的电阻导致电路时间常数降低,截止时续回流时间常数大幅度下降,从而加速电流泄放,有利于提高步进电机的高频响应,同时也因为回路增加的阻尼利于减少电机的共振,但其主要缺点是损耗大,效率低;采用斩波恒流驱动时,驱动电压较高,电流上升很快,当达到所需要的数值时,由于取样电阻反馈控制作用,绕组电流可以恒定在确定的数值上,而且不随电机的转速而变化,从而保证在很大的频率范围内电机都能输出恒定的转矩,同时采用斩波恒流驱动的另一优点是减少了电机共振现象的发生!由于电机共振的基本原因是能量过剩,而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节!能量过剩时,续流时间延长,而供电时间减小,因此可减小能量的积聚PWM恒流驱动用数字脉冲直接控制电流波形的占空比,比斩波恒流驱动的电路更简单,也更适合于单片机直接采用数字信号控制[2,3]!因此选择采用PWM恒流驱动的驱动器!

3.3 加速曲线的选择
在控制步进电机的失步方面,步进电机的加速曲线也非常重要!加速的规律一般有两种,一是按照直线规律升速,二是按指数规律升速!按直线规律升速时加速度为恒定,因此要求步进电机产生的转矩为恒值!从电机本身的特性来看,在转速不是很高的范围内,输出的转矩可基本认为恒定!但实际上电机转速升高时,由于反电动势和绕组电感的作用,绕组电流将逐渐减少,因此输出转矩将有所下降,按指数规律升速,加速度逐渐下降,接近电机输出转矩随转速变化的规律!微机在控制步进电机的加速过程中,可用离散办法来逼近理想的升降曲线!
3.4 减轻电磁干扰的措施
针对单片机对步进电机的控制系统电磁干扰方面主要采取以下一些措施:在单片机和步进电机驱动回路中加入光电隔离电路可以有效抑制电磁干扰,提高系统的稳定性;在驱动回路中降低-,45)6开关的导通速度,这样可以减小产生电磁干扰的强度,也可添加+.吸收回路,抑制浪涌的产生;合理选择主变压器的铁芯结构,降低漏磁强度;另外一个比较重要的方面就是电子线路的合理布局,控制干扰源与被干扰元件的距离和相对方向,使敏感元件远离干扰源,不同用途的联接线要分开,不走平行线,一个回路的布线在中间位置相互交叉且回路左右两半的面积要大致相等,减少感生电势,导线宜选用屏蔽线以及合理的接地设计等!采取这些措施将有效地减少电磁干扰对单片机控制系统的影响!

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