雙極步進(jìn)馬達(dá)加速和減速過程應(yīng)用

引言就 DC 馬達(dá)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(dá)傳動軸達(dá)到某個(gè)指定速度的快慢。但是，如果是步進(jìn)馬達(dá)，則改變電壓不會對馬達(dá)速度產(chǎn)生任何影響。沒錯(cuò)，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(jìn)馬達(dá)的最大速度，但是，馬達(dá)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(jìn)馬達(dá)是一些不需要受控加速過程的機(jī)器？如果可以，那么我們就可以無所顧忌地讓步進(jìn)馬達(dá)工作在任何目標(biāo)速度下嗎？事實(shí)是，相比其他馬達(dá)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，步進(jìn)馬達(dá)更加需要通過加速和減速過程來激勵(lì)。以任意速度啟動步進(jìn)馬達(dá)，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(jìn)驅(qū)動器，對步進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行控制。步進(jìn)驅(qū)動器（例如：TI DRV8818等）的輸出與方波（“步進(jìn)輸入”）頻率成正比。每個(gè)“步進(jìn)”脈沖均等于驅(qū)動器步進(jìn)邏輯定義步進(jìn)（即微步進(jìn)）。因此，改變方波頻率，也會相應(yīng)改變步進(jìn)馬達(dá)的速率。圖 1 顯示了某個(gè)馬達(dá)制造廠商的傳統(tǒng)步進(jìn)速率/扭矩曲線圖，其中起始頻率f_s為一個(gè)重要參數(shù)。我們必須知道，要想正常啟動這種特殊的馬達(dá)，必須使用一個(gè)小于 fs 的步進(jìn)速率。使用大于 f_s 的步進(jìn)速率啟動馬達(dá)，可能會使馬達(dá)停轉(zhuǎn)，并失去同步性。一旦出現(xiàn)這種情況，馬達(dá)轉(zhuǎn)動控制將受到嚴(yán)重的影響。表面看起來，這是一個(gè)嚴(yán)重的問題，但實(shí)際卻很容易解決。您需要做的只是讓馬達(dá)以某個(gè)低于f_s的步進(jìn)速率啟動，然后提高速度，直到達(dá)到目標(biāo)速度為止。遵循這一原則以后，步進(jìn)馬達(dá)便可以通過遠(yuǎn)超 f_s 的步進(jìn)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(jìn)馬達(dá)的扭矩/速度曲線同樣重要的是，不能簡單地通過停止“步進(jìn)”脈沖來讓馬達(dá)停止。相反，應(yīng)把步進(jìn)速率從目標(biāo)速度降至某個(gè)能使馬達(dá)停止下來且沒有傳動軸慣性的更低速率，因?yàn)閭鲃虞S慣性會引起多余、無用的步進(jìn)。請記住，如果在定位應(yīng)用中使用步進(jìn)馬達(dá)，則如果馬達(dá)在應(yīng)該停止時(shí)還繼續(xù)轉(zhuǎn)動，馬達(dá)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(jìn)馬達(dá)，因此確保僅執(zhí)行指令性步進(jìn)至關(guān)重要。加速/減速過程為了使步進(jìn)馬達(dá)從起始速度加速至某個(gè)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(shí)現(xiàn)步進(jìn)馬達(dá)控制。最常見的實(shí)現(xiàn)方法是只使用兩個(gè)定時(shí)器。第一個(gè)是每秒步進(jìn) (SPS) 定時(shí)器，用于產(chǎn)生一種精確的步進(jìn)速率計(jì)時(shí)功能。另外一個(gè)是加速定時(shí)器，用于周期性地改變第一個(gè)定時(shí)器。由于速度受到周期性改變，在本質(zhì)上得到與時(shí)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(shí)間變化情況。圖 2 顯示了一個(gè)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(jìn)馬達(dá)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(jìn)數(shù)，即馬達(dá)轉(zhuǎn)動的步進(jìn)速率。必須對 SPS 定時(shí)器編程，實(shí)現(xiàn)以該速率發(fā)出脈沖。根據(jù)定時(shí)器的振蕩器頻率，典型方程式為：其中SPS_timer_register 為一個(gè) 16 位數(shù)字，它告訴定時(shí)器產(chǎn)生后續(xù)“步進(jìn)”脈沖的所需時(shí)長，而 timer_oscillator 為一個(gè)常量，表示定時(shí)器的兆赫單位運(yùn)行速度。以函數(shù)形式將該方程式存儲起來，因?yàn)榻?jīng)常會用到它。為了理解它的工作過程，我們假設(shè)定時(shí)器振蕩器工作在 8 MHz 下，并且期望的馬達(dá)步進(jìn)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(shí)器每計(jì)時(shí)到 40000，便產(chǎn)生一次“步進(jìn)”脈沖。這會產(chǎn)生每秒 200 脈沖的定時(shí)器型輸出以及 200SPS 的傳動軸旋轉(zhuǎn)。這種事件每次發(fā)生時(shí)，都會產(chǎn)生一次中斷，并且定時(shí)器被清空。“步進(jìn)”輸入上升沿計(jì)時(shí)對于微步進(jìn)驅(qū)動器精確度至關(guān)重要，但只要其在下一個(gè)“步進(jìn)”上升沿之前，下降沿幾乎隨時(shí)會出現(xiàn)。定義加速度曲線需要兩個(gè)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(gè)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(shí)器同時(shí)控制這兩個(gè)參數(shù)：定時(shí)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(shí)器的中斷服務(wù)程序 (ISR) 通過一個(gè)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(jìn) (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(shí)器的 ISR。例如，加速速率為 1000 SPSPS 時(shí)，馬達(dá)速度以 200SPS 開始，并周期性增加 1，直至其達(dá)到 1200SPS。那么，加速度定時(shí)器的 ISR 需要調(diào)用 1000 次。另外一種方法是，加速度定時(shí)器調(diào)用頻率減半，然后 SPS 周期性增加 2。相比前一個(gè)例子，加速度定時(shí)器的 ISR 僅調(diào)用了 500 次，但馬達(dá)仍然以 200SPS 啟動，并在 1 秒內(nèi)達(dá)到 1200SPS。兩者的差別是更實(shí)時(shí)的可用性，但代價(jià)是分辨率下降。換句話說，為了達(dá)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(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)槟倪x擇決定了可以達(dá)到什么樣的馬達(dá)工作質(zhì)量。例如，如果要求有很多粒度以達(dá)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(shí)器的 ISR。但是，在前面的 SPS 定時(shí)器方程式中，存在除運(yùn)算。根據(jù)所使用處理器內(nèi)核的不同，這種除運(yùn)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(yùn)行在 16 MHz下的實(shí)現(xiàn)中，一次除運(yùn)算耗時(shí)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(shí)，必須使用大于 1 的增量。在馬達(dá)啟動前不久，便進(jìn)行一次加速速率計(jì)算。負(fù)責(zé)該計(jì)算的軟件，確定加速度定時(shí)器的時(shí)間間隔和增量因數(shù)大小，然后對各變量進(jìn)行相應(yīng)的配置。同時(shí)使用這些變量，直到對 SPS 速率的修改足以達(dá)到目標(biāo)速度為止。一旦達(dá)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(fù)而非正的情況除外。另外，必須規(guī)定一個(gè)馬達(dá)能夠安全停止的新目標(biāo)速度。圖 3 顯示了一個(gè)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(dá)看似十分簡單。馬達(dá)達(dá)到某個(gè)目標(biāo)速度，然后在某個(gè)時(shí)刻收到停止指令。但是，當(dāng)需要在某段預(yù)定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行某個(gè)預(yù)定步進(jìn)數(shù)時(shí)，結(jié)果會怎樣呢？加速/減速過程變得比任何時(shí)候都要重要。在這種運(yùn)行控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有計(jì)劃步進(jìn)都執(zhí)行完畢后馬達(dá)便停止，這一點(diǎn)至關(guān)重要。規(guī)定步進(jìn)數(shù)的變量被稱作 number_of_steps。必須對馬達(dá)運(yùn)動情況編碼，以使馬達(dá)在規(guī)定時(shí)間停止，不用等待減速命令。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的一個(gè)方法是對一個(gè)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(shí)機(jī)。在達(dá)到目標(biāo)速度以前，加速會一直執(zhí)行。達(dá)到目標(biāo)速度后，在達(dá)到steps_to_stop計(jì)數(shù)（開始減速之時(shí)）以前，仍允許步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)行。例如，1000步進(jìn)運(yùn)行時(shí)，steps_to_stop設(shè)置為800。因此，馬達(dá)通過一個(gè)加速過程啟動，持續(xù)運(yùn)行至步進(jìn)800，此時(shí)馬達(dá)開始減速，直到停止運(yùn)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(dá)達(dá)到目標(biāo)速度以前所有步進(jìn)結(jié)束。情況2：馬達(dá)達(dá)到目標(biāo)速度時(shí)所有步進(jìn)結(jié)束。情況3：達(dá)到停止速度以前所有步進(jìn)結(jié)束。情況4：達(dá)到停止速度時(shí)所有步進(jìn)結(jié)束。情況5：達(dá)到停止速度后所有步進(jìn)結(jié)束。
圖 4 5 種加速/減速情況恰好在達(dá)到停止速度時(shí)馬達(dá)停止（情況4）是一種理想情況。在達(dá)到停止速度前不久（情況3）或者以后（情況5）馬達(dá)停止是可以接受的，具體取決于出現(xiàn)這些情況時(shí)距離理想情況還差多少個(gè)步進(jìn)。例如，如果馬達(dá)轉(zhuǎn)動過快時(shí)所有步進(jìn)結(jié)束，則馬達(dá)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(jìn)執(zhí)行完以前達(dá)到停止速度，則執(zhí)行該次馬達(dá)運(yùn)動控制所需的總時(shí)間會過長。情況1和2僅為說明需要，應(yīng)該不會出現(xiàn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(jì)人員可以簡單地對系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)總數(shù)分割成幾個(gè)百分?jǐn)?shù)，分配給每個(gè)加速/減速過程特定區(qū)域。在這種算法實(shí)現(xiàn)中，可選擇步進(jìn)總數(shù)的20%用以對馬達(dá)加速，60%用以使馬達(dá)恒速運(yùn)行，其余20%用以對馬達(dá)減速（參見圖5）。如果number_of_steps為1000，則馬達(dá)以預(yù)設(shè)加速度加速200個(gè)步進(jìn)，然后無論它達(dá)到何種步進(jìn)速率都停止加速。之后，以這種速率執(zhí)行600個(gè)步進(jìn)，并且最后200個(gè)步進(jìn)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(shí)，假設(shè)正確選擇百分比的情況下，步進(jìn)不可能在馬達(dá)運(yùn)動過程的錯(cuò)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(dá)最可能以相同速度開始和停止。這種方法的缺點(diǎn)是，很難保證達(dá)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(dá)始終在安全速度下停止。如果速度達(dá)到對應(yīng)用來說過慢，使用這種算法加速馬達(dá)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(jìn)數(shù)百分比。但是，設(shè)計(jì)人員必須小心操作，不要讓馬達(dá)運(yùn)行速度違反馬達(dá)扭矩/速度曲線。結(jié)論雙極步進(jìn)馬達(dá)加速和減速，是所有步進(jìn)馬達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jìn)馬達(dá)解決方案的存在，能夠正確處理應(yīng)用步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)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(dá)加速和減速，設(shè)計(jì)人員可以確保應(yīng)用高效運(yùn)行，并達(dá)到各種規(guī)范要求。加速/減速型實(shí)現(xiàn)的代碼結(jié)構(gòu)詳情，請參閱《參考文獻(xiàn)1》。這種實(shí)現(xiàn)圍繞一個(gè)類似于DRV8818的功率級，并使用一個(gè)MSP430微控制器。參考文獻(xiàn)“利用DRV8811/18/24/25設(shè)計(jì)智能步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動器”，作者：Jose Quinones， www.ti.com/lit/SLVA488
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