劉成淦，王直

（江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

步進(jìn)電機(jī)廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，它具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方面等優(yōu)點(diǎn)，即使是應(yīng)用在開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)中仍然能夠具有較高的準(zhǔn)確率。步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖可以轉(zhuǎn)1.2度，通常通過(guò)控制脈沖數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，通過(guò)控制輸入的脈沖頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度的控制。理論上輸入的脈沖頻率越高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，反之，步進(jìn)電機(jī)的速度越慢。但是在實(shí)際的應(yīng)用中輸入的頻率過(guò)大或者過(guò)小會(huì)造成電機(jī)的失步和堵步，所以要充分考慮步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)頻率才能實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確定位。在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中可以通過(guò)輸入PWM波的方法來(lái)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。PWM波的產(chǎn)生可以通過(guò)時(shí)鐘頻率、自動(dòng)重裝值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而調(diào)節(jié)PWM波的占空比和輸出頻率。通過(guò)CAN通信來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令，主控制器判斷接收到的信息輸出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向。本文中主控制芯片選用STM32系列的芯片，通過(guò)設(shè)置芯片內(nèi)部的定時(shí)器輸出相應(yīng)的PWM波。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的頻率使電機(jī)呈現(xiàn)S型運(yùn)動(dòng)軌跡，這種運(yùn)動(dòng)軌跡有利于提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也能夠在一定程度上降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)中加入了電流調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的調(diào)節(jié)，大大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)通常對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究主要集中在硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方面，而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卻很少涉及，電機(jī)能否按照預(yù)定的軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)決定著系統(tǒng)能否達(dá)到期望的控制效果，因此對(duì)電機(jī)的準(zhǔn)確控制對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)具有重要的意義。本論文主要針對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的噪聲過(guò)大、準(zhǔn)確性不足、效率低下進(jìn)行改進(jìn)。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移且受數(shù)字信號(hào)控制的開(kāi)環(huán)控制元件。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、啟動(dòng)和停止與輸入的脈沖信號(hào)頻率和脈沖數(shù)有關(guān)，與負(fù)載的變化無(wú)關(guān)。通常在一定范圍內(nèi)輸入的脈沖頻率越快，其轉(zhuǎn)速越快。步進(jìn)電機(jī)的加速和減速可以由輸入的頻率進(jìn)行控制，位移和相位的變化受輸入的脈沖數(shù)影響。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中如果要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位移控制，需要嚴(yán)格的把控輸入的脈沖個(gè)數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)在沒(méi)有超載的情況下，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和其停止的位置都是由輸入的脈沖頻率和脈沖數(shù)量決定的。通常，當(dāng)向步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，它將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度成為“步矩角”。在使用步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定輸入的脈沖數(shù)量設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行位移，從而能夠準(zhǔn)確的控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程。

步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)上可以分為反應(yīng)式、永磁式、和混合式。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子由繞組和轉(zhuǎn)子組成，且其繞組和轉(zhuǎn)子都是由軟磁材料制作而成。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、步矩角可以達(dá)到1.2度，但是在使用過(guò)程中發(fā)熱過(guò)大、可靠性較差。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成，它的力矩較大，有較好的輸出動(dòng)能，但是它的步矩角度一般為7.5度，導(dǎo)致了其控制精度較差。混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子也采用了永磁材料，輸出的的力矩較大，同時(shí)它的步矩角較小，在使用的過(guò)程中能夠?qū)﹄姍C(jī)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確控制。目前，工業(yè)上普遍采用兩相式步進(jìn)電機(jī)，其性?xún)r(jià)比較高。它的步矩角為1.8度，如果和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用，可使步矩角達(dá)到0.007度，大大的提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行精度。在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于制造工藝水平和摩擦產(chǎn)熱等原因，實(shí)際的工作精度略低于理論值。

文中所論述和設(shè)計(jì)的抓取機(jī)械臂應(yīng)用在血凝分析儀中，主要負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)樣盤(pán)的抓取和位移。該機(jī)械臂共有4個(gè)自由度，采用步進(jìn)電機(jī)作為其動(dòng)力來(lái)源，具有較高的自動(dòng)化程度。機(jī)械臂系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，模塊通過(guò)總線(xiàn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的通信，能夠根據(jù)要求準(zhǔn)確的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本盤(pán)的自動(dòng)抓取，自動(dòng)移動(dòng)，自動(dòng)放置至指定地點(diǎn)。該系統(tǒng)具有通用性，軟件的移植方便，同時(shí)在后期的維護(hù)和升級(jí)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)采用了CAN通信與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的空間。系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂的動(dòng)力源，大大降低了系統(tǒng)的成。本系統(tǒng)與現(xiàn)有的機(jī)械臂系統(tǒng)相比具有生產(chǎn)成本低、準(zhǔn)確度高、噪聲較小、裝置簡(jiǎn)單、操作方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，易于產(chǎn)品的推廣。本系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)控制芯片采用的是STM32F103CBT6，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片采用的是THB6128。系統(tǒng)中采用的是現(xiàn)在比較普遍使用的兩相四線(xiàn)混合式步進(jìn)電機(jī)，其基本的步矩角為1.8度/步。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法一般采用專(zhuān)用的集成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)，控制器通過(guò)輸出脈沖的數(shù)量和頻率結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分功能，進(jìn)而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的位移和速度的控制。圖1是一種基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)（M0、M1、M2位細(xì)分，DIR為方向），該系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用的是THB6128。在該系統(tǒng)中向THB6128輸出的信號(hào)主要有PWM波、細(xì)分調(diào)節(jié)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向。STM32根據(jù)判斷收到的上位機(jī)信息對(duì)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作，電機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)芯片，單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)就轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的角位移。步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)脈沖下運(yùn)動(dòng)的角度可以通過(guò)細(xì)分進(jìn)行調(diào)節(jié)，細(xì)分細(xì)說(shuō)設(shè)置的越大電機(jī)在一個(gè)脈沖的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)的角度越小。電機(jī)的一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)低速啟動(dòng)、快速加速到目標(biāo)速度、在目標(biāo)速度下保持運(yùn)動(dòng)、勻減速等過(guò)程才能使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)而且可以盡可能的節(jié)省運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。在這個(gè)一系列的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最重要的是如何解決步進(jìn)電機(jī)的加減速問(wèn)題使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)S型曲線(xiàn)。

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)工作流程

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

文中設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器采用STM32F103CBT6，驅(qū)動(dòng)器采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片THB6128，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以耐壓高達(dá)36 V直流電壓，峰值電流2.2 A，工作電流1.5 A，支持多種細(xì)分方式（1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128），通過(guò) M1、M2、M3改變細(xì)分。使能端設(shè)置：ENABLE輸入端為低電平時(shí)，輸出為高阻狀態(tài)。但是，內(nèi)部邏輯電路沒(méi)有停止工作，如果有脈沖信號(hào)的輸入，勵(lì)磁仍在進(jìn)行。因此，將ENABLE重新置為高電平時(shí)，由于CLK信號(hào)還在輸入，電機(jī)繼續(xù)工作。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端：CW/CCW為L(zhǎng)ow時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，CW/CCW為High時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)S型曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)起始速度較小，在中途可以以較快的時(shí)間加速到期望的速度，在加速到期望的速度后可以以期望的速度保持勻速運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)沖的現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于電機(jī)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)加速到期望的速度，從而降低了系統(tǒng)的功耗。

在系統(tǒng)中由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度和運(yùn)行速度設(shè)置的不太合理，通常會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)和噪聲。在系統(tǒng)中可以通過(guò)硬件電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的噪聲進(jìn)行處理，在系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的噪聲進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 曲線(xiàn)算法的理論實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程主要體現(xiàn)在定時(shí)器中斷及中斷服務(wù)函數(shù)上，PWM輸出主要通過(guò)定時(shí)器中斷來(lái)完成，定時(shí)器中斷輸出PWM主要分為兩塊，首先定時(shí)器中斷初始化，配置相應(yīng)時(shí)鐘，定義IO，設(shè)定優(yōu)先級(jí)，其后在定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)置加速過(guò)程，既不斷的改變PWM輸出頻率。定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)是本處的重點(diǎn)，加減速的過(guò)程實(shí)則是通過(guò)在定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)每個(gè)相應(yīng)的時(shí)間改變PWM的輸出頻率呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)線(xiàn)性的過(guò)程，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，其中啟動(dòng)的初始頻率不一定為零，電機(jī)根據(jù)不同的負(fù)載啟動(dòng)的頻率是不同的，主函數(shù)中通過(guò)使能相應(yīng)PWM定時(shí)器的時(shí)鐘，配置細(xì)分，方向，以及打開(kāi)啟動(dòng)芯片使能端即可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。

在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在其啟動(dòng)的過(guò)程中由于靜態(tài)慣量比較大需要，因此需要較小的加速度，否則步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)的過(guò)程中易造成堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在步進(jìn)電機(jī)的停止階段是，其輸出的轉(zhuǎn)矩會(huì)大大地降低，如果此時(shí)的加速度過(guò)大往往會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的過(guò)沖現(xiàn)象。綜合考慮各個(gè)方面，為了保證步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確停止，需要采用對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度采取曲線(xiàn)控制方法。

S型曲線(xiàn)是目前比較新的運(yùn)動(dòng)控制方法，它是由步進(jìn)電機(jī)的速度軌跡呈現(xiàn)出S型曲線(xiàn)得出來(lái)的。該模型能夠滿(mǎn)足大多數(shù)情況下步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，在使用S型曲線(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制中，步進(jìn)電機(jī)依次經(jīng)歷的階段為加加速階段、快速加速階段、減加速階段、勻速運(yùn)動(dòng)階段、減減速階段。采用S型常用的S型運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型為：

曲線(xiàn)的特點(diǎn)是開(kāi)始階段步進(jìn)電機(jī)的加速度緩慢的增加，在加速度增加到一定的范圍后加速度快速的增大。在加速度達(dá)到一定的范圍后加速度再次緩慢的增加，最后速度趨于穩(wěn)定，并保持該速度進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)。曲線(xiàn)的減速過(guò)程可以看作加速過(guò)程的逆過(guò)程。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中該函數(shù)模型能夠有效的的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制中的準(zhǔn)確性，但是在運(yùn)動(dòng)軌跡較短的環(huán)境下容易造成步進(jìn)電機(jī)的失步和堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，增大了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。為了能在實(shí)際的工業(yè)控制中使多個(gè)步進(jìn)電機(jī)能快速的定位，有很高的精確度，速度也能平滑過(guò)渡，加速度不產(chǎn)生突變，先提出一種改進(jìn)型S型曲線(xiàn)，其數(shù)學(xué)方程式為：

其中amax表示的是加速階段的最大的速度，hmax表示的是最大變加速度。

其速度的曲線(xiàn)圖形如圖3所示步進(jìn)電機(jī)S型曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)起始速度較小，在中途可以以較快的時(shí)間加速到期望的速度，在加速到期望的速度后可以以期望的速度保持勻速運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)沖的現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于電機(jī)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)加速到期望的速度，從而降低了系統(tǒng)的功耗。

步進(jìn)電機(jī)S型曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)起始速度較小，在中途可以以較快的時(shí)間加速到期望的速度，在加速到期望的速度后可以以期望的速度保持勻速運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)沖的現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 步進(jìn)電機(jī)速度曲線(xiàn)

3 算法的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)的加減速過(guò)程是由起始頻率和變化頻率組成的，通過(guò)計(jì)算式獲得加速度的數(shù)據(jù)，從而為STM32的控制提供理論依據(jù)。通常情況下STM32對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的控制不是實(shí)時(shí)的調(diào)用公式進(jìn)行計(jì)算，而是把事先計(jì)算好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到其的內(nèi)存中，通過(guò)其內(nèi)部的定時(shí)器在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)，從而得到輸出的頻率。

STM32中最高頻率為72 MHz，若采用72 MHz此時(shí)的PWM波的頻率約為1.1 kHz，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)難以啟動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題需要對(duì)定時(shí)器的時(shí)間進(jìn)行分頻處理。對(duì)定時(shí)器的分頻時(shí)間進(jìn)行處理時(shí)分頻系數(shù)的選擇要慎重考慮，必須考慮到定時(shí)的精度問(wèn)題也要考慮到電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速和減速對(duì)輸出的頻率的要求。在實(shí)際的系統(tǒng)的應(yīng)用中如果選擇的分頻系數(shù)較小，此時(shí)系統(tǒng)的精度較高，但是滿(mǎn)足不了系統(tǒng)對(duì)低頻的需求。

在本系統(tǒng)中采用的解決方案是在低頻的時(shí)候選取較大的分頻系數(shù)，在高頻的時(shí)候降低分頻的系數(shù)。具體的操作方法是在低頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用的分頻系數(shù)為72，即低頻的頻率能夠達(dá)到15 kHz；當(dāng)STM32的輸出頻率上升到200 kHz時(shí)將分頻系數(shù)變?yōu)?。

共振問(wèn)題是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素，如果系統(tǒng)中的共振往往會(huì)造成系統(tǒng)的噪聲過(guò)大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的壽命造成影響，同時(shí)也會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確性。因此共振問(wèn)題必須引起重視。在本系統(tǒng)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)THB6128驅(qū)動(dòng)的細(xì)分參數(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行處理。以三相步進(jìn)電機(jī)[18-19]為例，假如電機(jī)的額定電流為3 A，在沒(méi)有使用細(xì)分的情況下，在驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)的電流就從0 A瞬間增加至3 A。電流的巨大變化無(wú)可避免的會(huì)帶來(lái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和噪聲。在THB6128驅(qū)動(dòng)芯片有3個(gè)設(shè)置細(xì)分系數(shù)的I/O口，假設(shè)將細(xì)分系數(shù)設(shè)置為10時(shí)，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)接收到一個(gè)脈沖其電流從0 A變化為0.3 A，這樣大大的降低了步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲。采用細(xì)分調(diào)節(jié)并不會(huì)降低步矩力，相反步矩力還會(huì)增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于所在的研究項(xiàng)目中，該系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的加加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采用的S型曲線(xiàn)使電機(jī)在啟動(dòng)、加速和停止時(shí)都具有良好的平穩(wěn)性。在本系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)器的分頻系數(shù)能夠較好的解決系統(tǒng)在高頻和低頻下的準(zhǔn)確性。通過(guò)采用不同的細(xì)分能夠在一定程度上降低了系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，最大化的提高了系統(tǒng)的性能。

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