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單片機控制步進電機在燈光控制中的應用

文章出處: 人氣:發表時間:2018-07-02 16:15
摘要:單片機控制易出現失步、低頻振動及易受外界電磁干擾而影響步進電機的正常工作,從步進電機本身的特性和控制驅動系統等方面分析了問題出現的原因,提出了電流矢量恒幅均勻旋轉微步驅動的解決方案,并在舞臺燈光控制中實現了步進電機的穩定運行
步進電機是一種輸入與輸出數字脈沖相對應的增量運動執行元件,具有快速啟動、停止、正反轉及變速、無累積誤差的精確步進以及可以用數字量直接控制等優點,且其步距角和轉速受工作環境的影響較小,因此在工業控制過程及儀表中得到廣泛應用&隨著系統數字化,工業控制精度要求的提高,對過程控制的精度、實時性、穩定性也提出了更高的要求&步進電機運行時存在低頻振動、噪聲及可能存在的失步等不僅影響了步進電機的定位精度,同時也影響其平穩運行,從而限制了步進電機的應用范圍&針對單片機控制步進電機造成步進電機工作時出現失步、振動以及產生噪聲和電磁干擾的原因,提出了單片機控制系統中確保步進電機平穩正確運行的解決方案,并將此解決方案成功用于燈光的控制系統。
1 步進電機的失步分析
由于步進電機及所帶負載存在慣性,在實際變速運行中,有時出現停轉現象,即步進電機的響應速度跟不上控制脈沖速度,出現失步。步進電機運行時失步的積累不僅影響步進電機的重復定位的進度,也容易造成步進電機偏離正確的速度運行曲線&步進電機的運行一般要經過升頻、恒速、降頻等過程,當步進電機在加速和減速過程中,如果其上升和下降控制頻率大于步進電機的啟動頻率步進電機就會失步,從而引起步進電機瞬間的停轉,對系統的工作產生較大的影響!因此在步進電機的變速運行中,正確選擇步進電機的控制頻率是十分重要的!當步進電機處于恒速運行時,控制脈沖頻率超過步進電機的運行頻率同樣會造成步進電機失步!
步進電機的步距角不均勻也容易引起步進電機的振動和失步!理論上驅動電路若能確保繞組電流的準確性,也就保證了定子電流矢量的幅值與空間位置的穩定!而實際情況是,氣隙磁場是定子磁勢與轉子磁鋼通過定子、轉子鐵芯共同感應的結果,情況要復雜的多!由于齒槽情況、鐵芯材料、邊界條件等因素的存在會導致氣隙磁場偏離預期情況,這將使氣隙磁場不能跟隨電流矢量均勻旋轉,也就難以保持實際幅值跟理論計算的完全對應,從而引起步距角的不均勻!同時由于負載力矩也在隨時變化,電機的失調角也隨之變化,這在開環系統中是無法糾正的!另外微步距角的不均勻性和失調角隨負載變動也極大地降低了開環系統的線性定位精度!在實現步進電機控制系統的軟件系統中,工作時序和工作狀態與步進電機的實際情況不一致將會導致步進電機的失步和振動!另外在步進電機的啟動過程中,如果啟動力矩不夠也會引起步進電機失步甚至停轉!
2 步進電機的振動噪聲和單片機
控制驅動系統電磁干擾分析步進電機運行時的不穩定主要受兩個方面的影響,一是步進電機本身的機械特性所致,另一方面是控制驅動系統本身受外界環境因素和程序結構等方面產生的影響!步進電機運行時存在的低頻振動即轉子的振蕩現象,會引起齒輪碰撞,產生噪聲!這種噪聲是步進電機的固有特性造成的;同時步進電機還存在諧振點,當轉子轉速達到其機械諧振點時就會產生諧振和噪聲;另外步進電機在高頻啟動和停止時也會因為強烈的沖擊產生振動和噪聲!
電磁干擾將有可能使單片機控制系統工作發生紊亂,使單片機產生誤動作甚至死機等,嚴重影響步進電機運行的穩定性!單片機控制步進電機的驅動系統產生電磁干擾的干擾源主要來自外部電源、內部電源、印制板自制干擾、空中周圍電磁場干擾、外部干擾通過I/O口輸入等!干擾信號可以通過公共導線、電容、相鄰導線的互感以及空間輻射等途徑從干擾源耦合到敏感元件上!這里只對幾種在驅動系統中影響比較突出的幾個方面加以分析!
(1)供電干擾!工作時,交流電網負載突變時產生幅值較大的瞬變電壓波經由直流穩壓電源進入電子控制回路,從而影響單片機供電電源的穩定!
(2)單片機與步進電機驅動回路之間,驅動回路產生的干擾信號通過線路竄入單片機,使單片機產生誤動作,從而導致步進電機出現多步或失步現象!
(3)步進電機的電樞繞組通斷頻繁,當通電時,會產生較大的電壓電流的梯度變化,導致磁場耦合,形成嚴重的電磁干擾!當電樞繞組斷電時,線圈中的磁場突然消失會產生很高的瞬變電壓竄入控制回路,對系統中其它電子裝置產生相當大的電能沖擊甚至損壞元件!
(4)布線不合理!同一回路或不同回路間布線不合理時容易產生感生電動勢,形成電磁干擾!
3 確保步進電機穩定運行的解決方案
從前面的分析知道,容易引起失步和振動的共同因素是步進電機的低頻振動,為了使步進電機平滑運轉,可在電機軸上加磁性阻尼器及采用尼龍齒輪等可以在較大程度上改善電機的振動,另外減小步進電機的步距角也可使得步進電機運行更加穩定平滑!減小步距角一是可以選擇小步距角的步進電機來實現,但由于受工藝和生產成本限制,步距角不可能足夠小;另一種方法是改變電機繞組中的電流狀態數,即采用微步驅動技術來實現!步進電機的微步驅動技術實質上是一種電子阻尼技術,其主要目的是減弱步進電機的低頻振動,確保步進電機的平穩運行,同時提高步進電機的運轉精度!在綜合前面的分析的基礎上主要從以下四個方面提出了確保步進電機穩定運行的解決方案!
3.1微步電流曲線
在大量微步驅動系統中,結合步距角的不均勻性對步進電機失步的影響,采用電流矢量恒幅均勻旋轉的細分方法是比較理想的!以兩相混合式步進電機為例,通過對電機!、" 兩相繞組加上正弦電流來實現定子電流合成矢量的“恒幅、均勻”,微步進旋轉的兩相繞組電流的數學模型表示為:

微步參數可以預先計算出來,以表格的形式存儲在EPROM中,進行查表獲得參數值,通過微步的方式來實現頻率的改變,因為不需要經過復雜的計算,就不會過多占用CPU的時間,同時這種方式還可以擬合出更接近理想變化曲線的頻率變化來實現步進電機的加速和減速的平穩控制!另外采用這種細分方法也在很大程度上解決了微步距角的不均勻性問題,這將廣泛用于精度要求不是特別高的步進電機的控制系統中!

3.2 驅動線路的選擇

避免失步和減小振動的另一措施在于驅動系統的設計!步進電機的驅動方式有很多種,包括單、雙電壓驅動,高低電壓驅動,0橋驅動,升頻升壓驅動、斬波恒流驅動和脈寬調制(PWM)恒流驅動等!由于微步驅動需要控制相繞組電流的大小,因此只有單電壓串電阻驅動、斬波恒流驅動以及PWM恒流驅動的適合微步驅動控制!單電壓串電阻驅動方式由于串接的電阻導致電路時間常數降低,截止時續回流時間常數大幅度下降,從而加速電流泄放,有利于提高步進電機的高頻響應,同時也因為回路增加的阻尼利于減少電機的共振,但其主要缺點是損耗大,效率低;采用斬波恒流驅動時,驅動電壓較高,電流上升很快,當達到所需要的數值時,由于取樣電阻反饋控制作用,繞組電流可以恒定在確定的數值上,而且不隨電機的轉速而變化,從而保證在很大的頻率范圍內電機都能輸出恒定的轉矩,同時采用斬波恒流驅動的另一優點是減少了電機共振現象的發生!由于電機共振的基本原因是能量過剩,而斬波恒流驅動輸入的能量是自動隨著繞組電流調節!能量過剩時,續流時間延長,而供電時間減小,因此可減小能量的積聚PWM恒流驅動用數字脈沖直接控制電流波形的占空比,比斬波恒流驅動的電路更簡單,也更適合于單片機直接采用數字信號控制[2,3]!因此選擇采用PWM恒流驅動的驅動器!

3.3 加速曲線的選擇
在控制步進電機的失步方面,步進電機的加速曲線也非常重要!加速的規律一般有兩種,一是按照直線規律升速,二是按指數規律升速!按直線規律升速時加速度為恒定,因此要求步進電機產生的轉矩為恒值!從電機本身的特性來看,在轉速不是很高的范圍內,輸出的轉矩可基本認為恒定!但實際上電機轉速升高時,由于反電動勢和繞組電感的作用,繞組電流將逐漸減少,因此輸出轉矩將有所下降,按指數規律升速,加速度逐漸下降,接近電機輸出轉矩隨轉速變化的規律!微機在控制步進電機的加速過程中,可用離散辦法來逼近理想的升降曲線!
3.4 減輕電磁干擾的措施
針對單片機對步進電機的控制系統電磁干擾方面主要采取以下一些措施:在單片機和步進電機驅動回路中加入光電隔離電路可以有效抑制電磁干擾,提高系統的穩定性;在驅動回路中降低-,45)6開關的導通速度,這樣可以減小產生電磁干擾的強度,也可添加+.吸收回路,抑制浪涌的產生;合理選擇主變壓器的鐵芯結構,降低漏磁強度;另外一個比較重要的方面就是電子線路的合理布局,控制干擾源與被干擾元件的距離和相對方向,使敏感元件遠離干擾源,不同用途的聯接線要分開,不走平行線,一個回路的布線在中間位置相互交叉且回路左右兩半的面積要大致相等,減少感生電勢,導線宜選用屏蔽線以及合理的接地設計等!采取這些措施將有效地減少電磁干擾對單片機控制系統的影響!