基于单片机的步进电机升降速及精度控制研究
黄法恒，刘 利
（上海交通大学，上海200240）
摘要：介绍了单片机控制步进电机的一般硬件结构，在此基础上提出了三种步进电机升速的实现方法，最后分析了单片机定时误差对步进控制的影响，并得出了解决办法。
关键词：单片机；步进电机；升速曲线；定时误差
中图分类号：tm383. 6 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2010)03-0095-03
1控制系统硬件
步进电机驱动器的输入信号共有三路，分别是：步进脉冲输入信号cp，电机运转方向控制输入信号cw，急停复位输入信号rest。它们通过单片机的i/o输入。当输入信号对应的单片机引脚输出高电平时，对应的三极管工作于饱和状态。管压降极小，输入信号可以通过光耦使驱动器工作；而当对应引脚为低电平时，三极管工作于截止区，无信号输出，驱动器对应项关闭。设计中，在外部控制信号和中断的控制下，步进脉冲由p2．0按照一定的频率发出；p2.1高电平时步进电机顺时针转动，低电平时逆时针转动；而p2.2高电平时步进电机锁紧，低电平时电机可以自亩转动。
2升降频方法及其实现
当步进电机带负载时的运行频率低于起动频率时，步进电机能以运行频率直接起动，并以该频率连续运行。需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零速。而当步进电机的运行频率为负载启动频率）或负载过大时，易出现丢步或堵转的现象；停止时频率过高，易出现过冲的现象，造成位置精度降低。因此，需要对步进电机采用升降频控制，以使电机从启动频率工或者低于启动频率的某个合适的值（此值与负载和步进驱动有关）开始，逐渐加速升到运行频率，h然后进入匀速运行。最后的降频可以看作是升频的逆过程。
脉冲通过单片机定时中断产生，每中断一次，p2．0引脚电平取反，中断两次产生一个周期的脉冲。调节每次定时器的重装值，就可以得到相应频率的步进脉冲，直至不同的升降频越线[4-6]。
采用51系列单片机进行升降频控制时，设单片机的晶振频率；经过丘次升频达到目标频率，在第n升频时的频率为f(n)。升速时各频率等间距分布，并且定时器工作在方式1，则此时定时器的装载常数为：
设步进电机在f(n)频率下运行时间为出（与系统要求有关），则在此颇率下运行的步数为：
为了达到精确定位的目的，编程时，将频率f(n)的保持时间换算为步数，并对步数z(n)进行计数。每次计满时，定时器重装下一频率的初值。
升降频曲线的规划以不失步为原则。步进电机常用的升降频控制方法有三种：
2.1 s型升速曲线
s曲线加减速采用降速与升速对称的曲线来实现升降速控制。如图1所示，在步进电机加减速的过程中，使步进电机在每次加频率时均运行相同的步数z(n)，即可得到s型升降速曲线。具体来说，可以根据系统要求，计算出加减速的允许时间，并进一步计算出每个加速频率的允许时间a，继而得到各频率对应的步数。
这种升速方法的优点是升降极快，编程简单，且加速是连续变化的，从而避免了柔性冲击。由于频率不断升高，每个加速频率的运行时间血是不断减小的，加速度是不断增大的。因此其缺点是负载力矩较小，在加速过程中容易产生失步现象。所以此方式在高速、低载荷的情况下应用较广。
2.2直线型升速曲线
如果在步进电机加减速的过程中，加速度是恒定不变的，则得到直线型升降速曲线。如图2所示，在直线型升降速曲线中，电机的运行频率每跃升一个台阶，在该频率下的运行时间at都是相同的。而根据系统允许的加减速时间，很容易得到at，进而得到每个频率下的步数z(n)。
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