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摘要：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)易出現(xiàn)失步、低頻振動及易受外界電磁干擾而影響步進(jìn)電機(jī)的正常工
作，從步進(jìn)電機(jī)本身的特性和控制驅(qū)動系統(tǒng)等方面分析了問題出現(xiàn)的原因，提出了電流矢量恒幅均勻
旋轉(zhuǎn)微步驅(qū)動的解決方案，并在舞臺燈光控制中實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行&
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；失步；低頻振動；燈光
步進(jìn)電機(jī)是一種輸入與輸出數(shù)字脈沖相對應(yīng)的增量運(yùn)動執(zhí)行元件，具有快速啟動、停止、正
反轉(zhuǎn)及變速、無累積誤差的精確步進(jìn)以及可以用數(shù)字量直接控制等優(yōu)點(diǎn)，且其步距角和轉(zhuǎn)速受工
作環(huán)境的影響較小，因此在工業(yè)控制過程及儀表中得到廣泛應(yīng)用&隨著系統(tǒng)數(shù)字化，工業(yè)控制精
度要求的提高，對過程控制的精度、實(shí)時性、穩(wěn)定性也提出了更高的要求&步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時存在低
頻振動、噪聲及可能存在的失步等不僅影響了步進(jìn)電機(jī)的定位精度，同時也影響其平穩(wěn)運(yùn)行，從
而限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍&針對單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)造成步進(jìn)電機(jī)工作時出現(xiàn)失步、振動以
及產(chǎn)生噪聲和電磁干擾的原因，提出了單片機(jī)控制系統(tǒng)中確保步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)正確運(yùn)行的解決方
案，并將此解決方案成功用于燈光的控制系統(tǒng)。
１ 步進(jìn)電機(jī)的失步分析ww
由于步進(jìn)電機(jī)及所帶負(fù)載存在慣性，在實(shí)際變速運(yùn)行中，有時出現(xiàn)停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即步進(jìn)電機(jī)的
響應(yīng)速度跟不上控制脈沖速度，出現(xiàn)失步。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時失步的積累不僅影響步進(jìn)電機(jī)的重復(fù)定位的進(jìn)度，也容易造成步進(jìn)電機(jī)偏離正確的速度運(yùn)行曲線&步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過升頻、恒速、降頻等過程，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在加速和減速過程中，如果其上升和下降控制頻率大于步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率步進(jìn)電機(jī)就會失步，從而引起步進(jìn)電機(jī)瞬間的停轉(zhuǎn)，對系統(tǒng)的工作產(chǎn)生較大的影響!因此在步進(jìn)電機(jī)的變速運(yùn)行中，正確選擇步進(jìn)電機(jī)的控制頻率是十分重要的!當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于恒速運(yùn)行時，控制脈沖頻率超過步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率同樣會造成步進(jìn)電機(jī)失步!www.sawano.com.cn
步進(jìn)電機(jī)的步距角不均勻也容易引起步進(jìn)電機(jī)的振動和失步［"］!理論上驅(qū)動電路若能確保繞組電流的準(zhǔn)確性，也就保證了定子電流矢量的幅值與空間位置的穩(wěn)定!而實(shí)際情況是，氣隙磁場是定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁鋼通過定子、轉(zhuǎn)子鐵芯共同感應(yīng)的結(jié)果，情況要復(fù)雜的多!由于齒槽情況、鐵芯材料、邊界條件等因素的存在會導(dǎo)致氣隙磁場偏離預(yù)期情況，這將使氣隙磁場不能跟隨電流矢量均勻旋轉(zhuǎn)，也就難以保持實(shí)際幅值跟理論計(jì)算的完全對應(yīng)，從而引起步距角的不均勻!同時由于負(fù)載力矩也在隨時變化，電機(jī)的失調(diào)角也隨之變化，這在開環(huán)系統(tǒng)中是無法糾正的!另外微步距角的不均勻性和失調(diào)角隨負(fù)載變動也極大地降低了開環(huán)系統(tǒng)的線性定位精度［#］!在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)中，工作時序
和工作狀態(tài)與步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際情況不一致將會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的失步和振動!另外在步進(jìn)電機(jī)的啟動過程中，如果啟動力矩不夠也會引起步進(jìn)電機(jī)失步甚至停轉(zhuǎn)!
２ 步進(jìn)電機(jī)的振動噪聲和單片機(jī)
控制驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾分析步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時的不穩(wěn)定主要受兩個方面的影響，一是步進(jìn)電機(jī)本身的機(jī)械特性所致，另一方面是控制驅(qū)動系統(tǒng)本身受外界環(huán)境因素和程序結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生的影響!步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時存在的低頻振動即轉(zhuǎn)子的振蕩現(xiàn)象，會引起齒輪碰撞，產(chǎn)生噪聲!這種噪聲是步進(jìn)電機(jī)的固有特性造成的；同時步進(jìn)電機(jī)還存在諧振點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到其機(jī)械諧振點(diǎn)時就會產(chǎn)生諧振和噪聲；另
外步進(jìn)電機(jī)在高頻啟動和停止時也會因?yàn)閺?qiáng)烈的沖擊產(chǎn)生振動和噪聲!
電磁干擾將有可能使單片機(jī)控制系統(tǒng)工作發(fā)生紊亂，使單片機(jī)產(chǎn)生誤動作甚至死機(jī)等，嚴(yán)重影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性!單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的干擾源主要來自外部電源、內(nèi)部電源、印制板自制干擾、空中周圍電磁場干擾、外部干擾通過Ｉ／Ｏ口輸入等!干擾信號可以通過公共導(dǎo)線、電容、相鄰導(dǎo)線的互感以及空間輻射等途徑從干擾源耦合到敏感元件上［&］!這里只對幾種在驅(qū)動系統(tǒng)中影響比較突出的幾個方面加以分析!
（１）供電干擾!工作時，交流電網(wǎng)負(fù)載突變時產(chǎn)生幅值較大的瞬變電壓波經(jīng)由直流穩(wěn)壓電源進(jìn)入電子控制回路，從而影響單片機(jī)供電電源的穩(wěn)定!www.sawano.com.cn
（２）單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動回路之間，驅(qū)動回路產(chǎn)生的干擾信號通過線路竄入單片機(jī)，使單片機(jī)產(chǎn)生誤動作，從而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)多步或失步現(xiàn)象!
（３）步進(jìn)電機(jī)的電樞繞組通斷頻繁，當(dāng)通電時，會產(chǎn)生較大的電壓電流的梯度變化，導(dǎo)致磁場耦合，形成嚴(yán)重的電磁干擾!當(dāng)電樞繞組斷電時，線圈中的磁場突然消失會產(chǎn)生很高的瞬變電壓竄入控制回路，對系統(tǒng)中其它電子裝置產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊甚至損壞元件!
（４）布線不合理!同一回路或不同回路間布線不合理時容易產(chǎn)生感生電動勢，形成電磁干擾!
３ 確保步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的解決方案
從前面的分析知道，容易引起失步和振動的共www.sawano.com.cn同因素是步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，為了使步進(jìn)電機(jī)平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，可在電機(jī)軸上加磁性阻尼器及采用尼龍齒輪等可以在較大程度上改善電機(jī)的振動，另外減小步進(jìn)電機(jī)的步距角也可使得步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定平滑!減小步距角一是可以選擇小步距角的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但由于受工藝和生產(chǎn)成本限制，步距角不可能足夠��；另一種方法是改變電機(jī)繞組中的電流狀態(tài)數(shù)，即采用微步驅(qū)動技術(shù)來實(shí)現(xiàn)!步進(jìn)電機(jī)的微步驅(qū)動技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，確保步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，同時提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度!在綜合前面的分析的基礎(chǔ)上主要從以下四個方面提出了確保步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的解決方案!
3.1微步電流曲線
在大量微步驅(qū)動系統(tǒng)中，結(jié)合步距角的不均勻性對步進(jìn)電機(jī)失步的影響，采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法是比較理想的!以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，通過對電機(jī)!、" 兩相繞組加上正弦電流來實(shí)現(xiàn)定子電流合成矢量的“恒幅、均勻”，微步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的兩相繞組電流的數(shù)學(xué)模型表示為：
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微步參數(shù)可以預(yù)先計(jì)算出來，以表格的形式存儲在ＥＰＲＯＭ中，進(jìn)行查表獲得參數(shù)值，通過微步的方式來實(shí)現(xiàn)頻率的改變，因?yàn)椴恍枰?jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，就不會過多占用ＣＰＵ的時間，同時這種方式還可以擬合出更接近理想變化曲線的頻率變化來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加速和減速的平穩(wěn)控制!另外采用這種細(xì)分方法也在很大程度上解決了微步距角的不均勻性問題，這將廣泛用于精度要求不是特別高的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中!
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3.2 驅(qū)動線路的選擇www.sawano.com.cn
避免失步和減小振動的另一措施在于驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)!步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有很多種，包括單、雙電壓驅(qū)動，高低電壓驅(qū)動，0橋驅(qū)動，升頻升壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動和脈寬調(diào)制（ＰＷＭ）恒流驅(qū)動等!由于微步驅(qū)動需要控制相繞組電流的大小，因此只有單電壓串電阻驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動以及ＰＷＭ恒流驅(qū)動的適合微步驅(qū)動控制!單電壓串電阻驅(qū)動方式由于串接的電阻導(dǎo)致電路時間常數(shù)降低，截止時續(xù)回流時間常數(shù)大幅度下降，從而加速電流泄放，有利于提高步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)，同時也因?yàn)榛芈吩黾拥淖枘崂跍p少電機(jī)的共振，但其主要缺點(diǎn)是損耗大，效率低；采用斬波恒流驅(qū)動時，驅(qū)動電壓較高，電流上升很快，當(dāng)達(dá)到所需要的數(shù)值時，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，同時采用斬波恒流驅(qū)動的另一優(yōu)點(diǎn)是減少了電機(jī)共振現(xiàn)象的發(fā)生!由于電機(jī)共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動輸入的能量是自動隨著繞組電流調(diào)節(jié)!能量過剩時，續(xù)流時間延長，而供電時間減小，因此可減小能量的積聚ＰＷＭ恒流驅(qū)動用數(shù)字脈沖直接控制電流波形的占空比，比斬波恒流驅(qū)動的電路更簡單，也更適合于單片機(jī)直接采用數(shù)字信號控制［2，3］!因此選擇采用ＰＷＭ恒流驅(qū)動的驅(qū)動器!
3.3 加速曲線的選擇
在控制步進(jìn)電機(jī)的失步方面，步進(jìn)電機(jī)的加速曲線也非常重要!加速的規(guī)律一般有兩種，一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速!按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值!從電機(jī)本身的特性來看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩可基本認(rèn)為恒定!但實(shí)際上電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減少，因此輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速，加速度逐漸下降，接近電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律!微機(jī)在控制步進(jìn)電機(jī)的加速過程中，可用離散辦法來逼近理想的升降曲線!
3.4 減輕電磁干擾的措施
針對單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)電磁干擾方面主要采取以下一些措施：在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動回路中加入光電隔離電路可以有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在驅(qū)動回路中降低-,45)6開關(guān)的導(dǎo)通速度，這樣可以減小產(chǎn)生電磁干擾的強(qiáng)度，也可添加+.吸收回路，抑制浪涌的產(chǎn)生；合理選擇主變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)，降低漏磁強(qiáng)度；另外一個比較重要的方面就是電子線路的合理布局，控制干擾源與被干擾元件的距離和相對方向，使敏感元件遠(yuǎn)離干擾源，不同用途的聯(lián)接線要分開，不走平行線，一個回路的布線在中間位置相互交叉且回路左右兩半的面積要大致相等，減少感生電勢，導(dǎo)線宜選用
屏蔽線以及合理的接地設(shè)計(jì)等!采取這些措施將有效地減少電磁干擾對單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響!
４ 基于解決方案在舞臺燈光控制中的應(yīng)用
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