雙極步進馬達加速和減速過程應(yīng)用 - 全文

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速度，只需以周期性間隔改變當前速度。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)定期增加當前SPS，從而確定新的速度。
?
使用每秒每秒步進 (SPSPS)，或者當前 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速度為止。一旦達到目標速度，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。馬達達到某個目標速度，然后在某個時刻收到停止指令。但是，當需要在某段預(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。
在達到目標速度以前，加速會一直執(zhí)行。達到目標速度后，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：在馬達達到目標速度以前所有步進結(jié)束。
情況2：馬達達到目標速度時所有步進結(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，很難保證達到目標速度。如果目標速度不那么重要，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。
?
加速/減速型實現(xiàn)的代碼結(jié)構(gòu)詳情，請參閱《參考文獻1》。這種實現(xiàn)圍繞一個類似于DRV8818的功率級，并使用一個MSP430微控制器。
?
參考文獻
?“利用DRV8811/18/24/25設(shè)計智能步進馬達驅(qū)動器”，作者：Jose Quinones， www.ti.com/lit/SLVA488