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基于SPMC75F2413A单片机的步进电机加减速控制

本设计使用SPMC75F2413A作为该系统设计的控制器。SPMC75F2413A是μ’nSPTM系列产品的一个新成员,是凌阳科技新推出的一个16位结构的微控制器。本设计中由SPMC75F2413产生脉冲信号,驱动电路使用由Allergo公司生产的两相步进电机专用驱动器SLA7042M构成步进电机的驱动电路,执行机构是两相混合式步进电机。

1 步进电机加减速控制原理

S曲线加减速将传统的3段加减速过程变为7段加减速过程,形成S字形,如图1所示。加速段由加加速度段(T1)、匀加速度段(T2)、减加速度段(T3)组成;减速段由加减速度段(T5)、匀减速度段(T6)、减减速度段(T7)组成;而匀速段为(T4)。

在步进电机的控制系统中,给一个电脉冲信号,步进电机就转动一个角度或前进一步,如输人为脉冲数N,在规定的时间T内,其频率即为f。驱动脉冲的频率f随时间t有:

式中,fm为步进电机的最高连续频率,τ是决定升速快慢的时间常数,实际工作中可由实验来确定,已知系统达到匀速时的速度和系统达到最大速度所用的时间。

本系统使用单片机定时中断方式控制步进电机的速度,在升降速控制时,实际上是不断改变定时器的装载值的大小。

将升速过程离散处理,在设计中将加速时间固定为T=T1+T2+T3,为使说明方便,令T2=0。这时加速段由3个变为2个,即加加速段与减加速段。将T等分为40个时间相同的时间段,即将加加速时间T1分为20等分,将加减速时间T3分为20等分。则两次速度变化的间隔时间为△t=T/40,则每一档的频率可由式(1)计算得出,在每一档频率下步进电机所执行的步数也可通过计算得出。

2 系统硬件设计

图2为系统硬件设计结构框图。

图2中,SPMC75F2413A是一款系列产品的16位结构的微控制器。在4.5-5.5 V工作电压范围内的工作速度为0-24 MHz,拥有2 K字SRAM和32 K字闪存ROM;IOA~IOD4组64位可编程I/O端口,5个通用16位定时器/计数器。该系统采用S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0~IOB3位作为控制信号的输出端口,IOB4位作为光电传感器的输入端口。

步进电机易于与数字电路接口,但一般数字电路的信号能量远远不足以驱动电机。因此,必须有一个与之匹配的驱动器来驱动步进电机。驱动器通过给电机绕组提供特定的激磁电流,告诉电机需要运行多少微步。步进电机运行在整步模式时,因为刚好与电机的机械设计特点相吻合。此时定转子齿正好完全对齐,且绕组中流过的电流最大,步距角也最大。随着细分数的增加,步矩角相应减小。

该系统采用Allergo公司生产的驱动器SLA7042M,其本质上是利用数字量输入控制输出电流,其内部的2个4 bit的移位寄存器分别接收由SerialData引脚输入的电机相位信息和激磁电流比例数据。该4 bit的移位寄存器的第l位先载入相位信息,接着依次串行载入激磁电流比例数据的最低位,次低位,最后载入最高位。驱动部分电路如图3所示。