雙極步進馬達加速和減速過程應(yīng)用

引言

就 DC 馬達而言，通過升高電壓(如果使用脈寬調(diào)制，則增加占空比)，可以控制馬達傳動軸達到某個指定速度的快慢。但是，如果是步進馬達，則改變電壓不會對馬達速度產(chǎn)生任何影響。沒錯，改變電壓大小可以改變繞組電流電荷的速率，從而改變步進馬達的最大速度，但是，馬達速度是由繞組電流開關(guān)或者整流的速率所決定。

我們可以做這樣的假設(shè)嗎：步進馬達是一些不需要受控加速過程的機器?如果可以，那么我們就可以無所顧忌地讓步進馬達工作在任何目標(biāo)速度下嗎?事實是，相比其他馬達拓撲結(jié)構(gòu)，步進馬達更加需要通過加速和減速過程來激勵。以任意速度啟動步進馬達，可能會帶來可怕的后果。

本文中，我們假設(shè)讀者已熟悉如何利用市場上已有集成微步進驅(qū)動器，對步進馬達進行控制。步進驅(qū)動器(例如：TI DRV8818等)的輸出與方波(“步進輸入”)頻率成正比。每個“步進”脈沖均等于驅(qū)動器步進邏輯定義步進(即微步進)。因此，改變方波頻率，也會相應(yīng)改變步進馬達的速率。

圖 1 顯示了某個馬達制造廠商的傳統(tǒng)步進速率/扭矩曲線圖，其中起始頻率fs為一個重要參數(shù)。我們必須知道，要想正常啟動這種特殊的馬達，必須使用一個小于 fs 的步進速率。使用大于 fs 的步進速率啟動馬達，可能會使馬達停轉(zhuǎn)，并失去同步性。一旦出現(xiàn)這種情況，馬達轉(zhuǎn)動控制將受到嚴重的影響。表面看起來，這是一個嚴重的問題，但實際卻很容易解決。您需要做的只是讓馬達以某個低于fs的步進速率啟動，然后提高速度，直到達到目標(biāo)速度為止。遵循這一原則以后，步進馬達便可以通過遠超 fs 的步進速率來驅(qū)動—只要速度保持在所示扭矩/速度曲線以下。

圖 1 雙極恒流步進馬達的扭矩/速度曲線

同樣重要的是，不能簡單地通過停止“步進”脈沖來讓馬達停止。相反，應(yīng)把步進速率從目標(biāo)速度降至某個能使馬達停止下來且沒有傳動軸慣性的更低速率，因為傳動軸慣性會引起多余、無用的步進。請記住，如果在定位應(yīng)用中使用步進馬達，則如果馬達在應(yīng)該停止時還繼續(xù)轉(zhuǎn)動，馬達傳動軸便會失去定位。由于閉環(huán)位置反饋很少用于驅(qū)動步進馬達，因此確保僅執(zhí)行指令性步進至關(guān)重要。

加速/減速過程

為了使步進馬達從起始速度加速至某個期望目標(biāo)速度，只需以周期性間隔改變當(dāng)前速度。大多數(shù)工程師都使用微控制器來實現(xiàn)步進馬達控制。最常見的實現(xiàn)方法是只使用兩個定時器。第一個是每秒步進 (SPS) 定時器，用于產(chǎn)生一種精確的步進速率計時功能。另外一個是加速定時器，用于周期性地改變第一個定時器。由于速度受到周期性改變，在本質(zhì)上得到與時間相關(guān)的角速度 (dv/dt)。這一過程被稱作加速度，即速度隨時間變化情況。圖 2 顯示了一個典型的基于微控制器的加速度分布圖放大圖，并描述了步進馬達加速至目標(biāo)速度的過程。

圖 2 典型加速過程放大圖

SPS 是我們希望獲得的每秒步進數(shù)，即馬達轉(zhuǎn)動的步進速率。必須對 SPS 定時器編程，實現(xiàn)以該速率發(fā)出脈沖。根據(jù)定時器的振蕩器頻率，典型方程式為：

其中SPS_timer_register 為一個 16 位數(shù)字，它告訴定時器產(chǎn)生后續(xù)“步進”脈沖的所需時長，而 timer_oscillator 為一個常量，表示定時器的兆赫單位運行速度。

以函數(shù)形式將該方程式存儲起來，因為經(jīng)常會用到它。為了理解它的工作過程，我們假設(shè)定時器振蕩器工作在 8 MHz 下，并且期望的馬達步進速率為 200 SPS。根據(jù)該方程式，程序代碼使 SPS_timer_register 值等于 40000。那么，定時器每計時到 40000，便產(chǎn)生一次“步進”脈沖。這會產(chǎn)生每秒 200 脈沖的定時器型輸出以及 200SPS 的傳動軸旋轉(zhuǎn)。

這種事件每次發(fā)生時，都會產(chǎn)生一次中斷，并且定時器被清空。“步進”輸入上升沿計時對于微步進驅(qū)動器精確度至關(guān)重要，但只要其在下一個“步進”上升沿之前，下降沿幾乎隨時會出現(xiàn)。

定義加速度曲線需要兩個參數(shù)：(1)SPS 值變化頻率;(2)SPS 值變化程度。加速度曲線與這兩個參數(shù)成正比;也就是說，SPS 值變化越頻繁，其值也越大，而加速度曲線也會越大起大落。加速度定時器同時控制這兩個參數(shù)：定時器函數(shù)起作用的次數(shù)與 SPS 值每秒的變化次數(shù)相同，另外，定時器的中斷服務(wù)程序 (ISR) 通過一個預(yù)先確定的因數(shù)定期增加當(dāng)前SPS，從而確定新的速度。

使用每秒每秒步進 (SPSPS)，或者當(dāng)前 SPS 速率改變的每秒次數(shù)，來測定加速速率。如果通過增加 1 來改變 SPS 值，則每次加速速率改變都必須調(diào)用(觸發(fā))加速度定時器的 ISR。例如，加速速率為 1000 SPSPS 時，馬達速度以 200SPS 開始，并周期性增加 1，直至其達到 1200SPS。那么，加速度定時器的 ISR 需要調(diào)用 1000 次。

另外一種方法是，加速度定時器調(diào)用頻率減半，然后 SPS 周期性增加 2。相比前一個例子，加速度定時器的 ISR 僅調(diào)用了 500 次，但馬達仍然以 200SPS 啟動，并在 1 秒內(nèi)達到 1200SPS。兩者的差別是更實時的可用性，但代價是分辨率下降。換句話說，為了達到 999 SPSPS 的精確加速速率，必須使用第一種方法。

必須在兩種方法之間進行權(quán)衡，因為您的選擇決定了可以達到什么樣的馬達工作質(zhì)量。例如，如果要求有很多粒度以達到所有可能的加速度過程，則需要盡可能地調(diào)用加速度定時器的 ISR。

但是，在前面的 SPS 定時器方程式中，存在除運算。根據(jù)所使用處理器內(nèi)核的不同，這種除運算可能會極大限制 ISR 被有效調(diào)用并正確產(chǎn)生新 SPS 速率的次數(shù)。在使用 TI MSP430™ 且 CPU 運行在 16 MHz下的實現(xiàn)中，一次除運算耗時約 500 µs。結(jié)果，ISR 每秒被調(diào)用的最大次數(shù)為 2000 次。這種限制決定了增量因數(shù)的大小。加速速率大于 2000 時，必須使用大于 1 的增量。

在馬達啟動前不久，便進行一次加速速率計算。負責(zé)該計算的軟件，確定加速度定時器的時間間隔和增量因數(shù)大小，然后對各變量進行相應(yīng)的配置。同時使用這些變量，直到對 SPS 速率的修改足以達到目標(biāo)速度為止。一旦達到目標(biāo)速度，加速終止。

減速過程與加速過程基本一致，但增量因數(shù)為負而非正的情況除外。另外，必須規(guī)定一個馬達能夠安全停止的新目標(biāo)速度。

圖 3 顯示了一個加速/減速過程，其中，加速和減速速率對稱。也可以使用非對稱速率。

圖 3 加速/減速過程

位置控制

到目前為止，在速度控制環(huán)路中操作馬達看似十分簡單。馬達達到某個目標(biāo)速度，然后在某個時刻收到停止指令。但是，當(dāng)需要在某段預(yù)定時間內(nèi)執(zhí)行某個預(yù)定步進數(shù)時，結(jié)果會怎樣呢?加速/減速過程變得比任何時候都要重要。在這種運行控制拓撲結(jié)構(gòu)中，所有計劃步進都執(zhí)行完畢后馬達便停止，這一點至關(guān)重要。規(guī)定步進數(shù)的變量被稱作 number_of_steps。

必須對馬達運動情況編碼，以使馬達在規(guī)定時間停止，不用等待減速命令。實現(xiàn)這個目標(biāo)的一個方法是對一個名叫steps_to_stop的變量編程，使其小于number_of_steps。之后，軟件通過監(jiān)測steps_to_stop，確定需要開始減速的時機。

在達到目標(biāo)速度以前，加速會一直執(zhí)行。達到目標(biāo)速度后，在達到steps_to_stop計數(shù)(開始減速之時)以前，仍允許步進馬達運行。例如，1000步進運行時，steps_to_stop設(shè)置為800。因此，馬達通過一個加速過程啟動，持續(xù)運行至步進800，此時馬達開始減速，直到停止運行。

根據(jù)所有系統(tǒng)變量的配置，我們需要研究下列5種情況(參見圖 4)：

情況1：在馬達達到目標(biāo)速度以前所有步進結(jié)束。

情況2：馬達達到目標(biāo)速度時所有步進結(jié)束。

情況3：達到停止速度以前所有步進結(jié)束。

情況4：達到停止速度時所有步進結(jié)束。

情況5：達到停止速度后所有步進結(jié)束。

圖 4 5 種加速/減速情況

恰好在達到停止速度時馬達停止(情況4)是一種理想情況。在達到停止速度前不久(情況3)或者以后(情況5)馬達停止是可以接受的，具體取決于出現(xiàn)這些情況時距離理想情況還差多少個步進。例如，如果馬達轉(zhuǎn)動過快時所有步進結(jié)束，則馬達傳動軸可能會因轉(zhuǎn)動慣量而失去位置。但是，如果在所有步進執(zhí)行完以前達到停止速度，則執(zhí)行該次馬達運動控制所需的總時間會過長。

情況1和2僅為說明需要，應(yīng)該不會出現(xiàn)，因為設(shè)計人員應(yīng)始終確保steps_to_stop小于number_of_steps。了解所有可能出現(xiàn)的情況以后，設(shè)計人員可以簡單地對系統(tǒng)進行微調(diào)，以獲得最佳響應(yīng)。

只需少許微調(diào)的另一種方法是，將步進總數(shù)分割成幾個百分數(shù)，分配給每個加速/減速過程特定區(qū)域。在這種算法實現(xiàn)中，可選擇步進總數(shù)的20%用以對馬達加速，60%用以使馬達恒速運行，其余20%用以對馬達減速(參見圖5)。如果number_of_steps為1000，則馬達以預(yù)設(shè)加速度加速200個步進，然后無論它達到何種步進速率都停止加速。之后，以這種速率執(zhí)行600個步進，并且最后200個步進執(zhí)行完全部減速過程。

圖 5 基于百分比的加速/減速過程

請注意，使用這種算法時，假設(shè)正確選擇百分比的情況下，步進不可能在馬達運動過程的錯誤部分耗盡。就圖5所示例子而言，由于加速和減速部分都很平衡，因此馬達最可能以相同速度開始和停止。這種方法的缺點是，很難保證達到目標(biāo)速度。如果目標(biāo)速度不那么重要，則可以使用這種算法來確保馬達始終在安全速度下停止。

如果速度達到對應(yīng)用來說過慢，使用這種算法加速馬達傳動軸的唯一方法是，提高加速速率，或者增加加速/減速區(qū)域中使用的步進數(shù)百分比。但是，設(shè)計人員必須小心操作，不要讓馬達運行速度違反馬達扭矩/速度曲線。

結(jié)論

雙極步進馬達加速和減速，是所有步進馬達應(yīng)用設(shè)計的關(guān)鍵部分。盡管在過去十年里，功率級控制已得到極大簡化，但是加速和減速過程應(yīng)用程序仍未從應(yīng)用處理器領(lǐng)域銷聲匿跡。由于各色步進馬達解決方案的存在，能夠正確處理應(yīng)用步進馬達運動控制的一些算法，更加容易編碼和微調(diào)。通過正確地對馬達加速和減速，設(shè)計人員可以確保應(yīng)用高效運行，并達到各種規(guī)范要求。