1 引言

步進電機是一種離散運動的裝置，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。步進電機亦是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的執(zhí)行機構(gòu)，當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（又稱之為步進角），為此可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。從以上所述可知，步進電機是可以用脈沖信號直接進行定位控制，由于其具有一定的精度，且控制線路簡單，使用方便、可靠；因此它廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備（掃描儀、磁盤驅(qū)動器、打印機）、照相機（包括光學照相機與數(shù)碼照相機），投影儀、數(shù)碼攝像機、放像機（VCD、DVD 等）、大型望遠鏡、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械工具等等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的進步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進電機的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時也對步時電機的運行性能提出了更高的要求。本文就采用當前流行的 PIC 單片機來對步進電機進行控制以及自適應(yīng)控制技術(shù)在步進電機中的應(yīng)用進行了研究和討論。

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)機構(gòu)。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，當偏差信號 e（t）=x（t）-y（t）進入自適應(yīng)控制回路后，經(jīng)運算產(chǎn)生準實時的調(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，此時自適應(yīng)控制調(diào)整控制器參數(shù)過程完成。

2.2 基于 PIC 單片機構(gòu)成步進電機自適應(yīng)控制

采用 PIC 單片機構(gòu)成步進電機自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖 2 所示。

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)生的控制信號經(jīng) I/O 口經(jīng)功率放大器去直接控制對象的驅(qū)動。在本文中所采用的 PIC 單片機為 PIC16F877 型。PIC16F877 單片機為 40 引腳微處理器，其除了具有 PIC 系列單片機的共同特點外，還具有如下特點：（1）振蕩頻率達（DC）20MHz；（2）有 4KB 的 FLASH 程序存儲器（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)存儲器；（5）33 條 I/O 線；（6）3 個定時器；（7）8 路 10 位 A/D 口通道；（8）2 個 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電機的驅(qū)動控制。

基于 PIC16F877 的步進電機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

本文所討論的步進電機為應(yīng)用于數(shù)控機床的 5 相混合式 90BYG550A-0301 型，其 PIC 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

3、軟件設(shè)計

3.1 步進電機的升降曲線

常見的步進電機升降速運行曲線有三種，即直線型、階梯型、指數(shù)型，本文僅對直線型升降速曲線進行討論，如圖 5 所示。

這種直線型升降速運行曲線的升（降）速的加（減）速度是恒定的，在開環(huán)控制時，由于不可能充分考慮步進電機輸出轉(zhuǎn)矩隨速度變化的特性，故此步進電機在高速時會發(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，這個缺點可以得以克服。

由步進電機的工作原理可知，步進電機的輸出力矩隨著它的旋轉(zhuǎn)角速度變化，因此在整個升降速過程中，步進電機的角加速度應(yīng)隨轉(zhuǎn)子角速度的變化而自適應(yīng)地變化。使步進電機在不失步條件下，以最短的時間升速（降速）到給定速度，因此，尋求升降速曲線的自適應(yīng)規(guī)律，是實現(xiàn)步進電機精確定位的關(guān)鍵。

3.2 軟件構(gòu)成

根據(jù)步進電機控制系統(tǒng)所要完成的功能，軟件程序主要有：故障中斷處理程序、定時移位中斷程序、步進控制信號中斷處理程序、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。

4、討論

步進電機由于是由脈沖信號控制的，所以完全可以采用開環(huán)控制方式，這在精度要求不高的場合，不失為一種簡單、實用、經(jīng)濟而可行的技術(shù)方案。但是，在開環(huán)控制的步進電機驅(qū)動系統(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)不能跟隨運行頻率和負載大小而調(diào)整其控制參數(shù)，這就給步進電機的開環(huán)運行帶來一些不利因數(shù)，特別是在低頻、中頻的某些頻率點，將會出現(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轉(zhuǎn)子的位置和速度，通過反饋和自適應(yīng)處理，按照優(yōu)化的升降運行曲線，自動地發(fā)出驅(qū)動的脈沖串，不僅可使步進電機的拖動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，而且可以使步進電機在許多其他領(lǐng)域內(nèi)獲得更大的通用性與實用性。

5、結(jié)束語

采用自適應(yīng)控制技術(shù)的 PIC 單片機實現(xiàn)方法應(yīng)用于步進電機的控制驅(qū)動，可以充分利用步進電機的有效轉(zhuǎn)矩，動態(tài)過程的快速響應(yīng)性和魯棒性都得到顯著地提高，縮短了升降速的時間，可防止失步和過沖現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，采用本文所述的自適應(yīng)控制技術(shù)方案的步進電機能夠平穩(wěn)可靠地沿著所設(shè)計的曲線與性能運行，升降速過程平穩(wěn)而快速。由于 PIC 單片機價格低廉，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潔，加之指令數(shù)少而精煉，故此采用 PIC 單片機作為步進電機控制系統(tǒng)的核心處理器是一種實用與經(jīng)濟的選擇。