atmega16 步进电机

中国测试技术

ＣＨＩＮＡＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２００７

基于ＡＴｍｅｇａ１６单片机的步进电机加减速控制

刘

摘

丽，韩震宇，李龙，李虹霖

（四川大学机械电子工程系，四川成都６１００６５）

要：步进电机是一种易于精确控制的电机。本系统中步进电机用于绕线机排线机构的驱动，要求步进电机应反

复快速启动和停止并且定位准确，因此选用指数加减速方式。采用爱梅尔公司的单片机ＡＴｍｅｇａ１６控制步进电机，步进电机的速度大小与ＡＴｍｅｇａ１６产生的ＰＷＭ波的频率成线性正比关系。由单片机计算加减速阶段的频率值比较复各阶段频率值利用倒推法根据指数函数得到。系统软件部杂，而且所需周期较长，因此将频率值储存在数组或表中。分采用Ｃ语言编程实现。

关键词：步进电机；ＡＴｍｅｇａ１６；加减速；ＰＷＭ中图分类号：ＴＰ３９１．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－４９８４（２００７）０６－０１０６－０３

Ｃｏｎｔｒｏｌｌｏｆｓｔｅｐｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄ－ｕｐａｎｄｓｐｅｅｄ－ｄｏｗｎｗｉｔｈＡＴｍｅｇａ１６

ＬＩＵＬｉ，ＨＡＮＺｈｅｎ－ｙｕ，ＬＩＬｏｎｇ，ＬＩＨｏｎｇ－ｌｉｎ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｐｍｏｔｏｒｉｓａｋｉｎｄｏｆｍｏｔｏｒｔｈａｔｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．ＴｈｅＳｐｅｅｄ－ｕｐａｎｄＳｐｅｅｄ－ｄｏｗｎｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒｗａｓｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌａｎｄｓｔｅｐｍｏｔｏｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅｂｕｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｗｉｎｄｅｒ，ｗｈｉｃｈｎｅｅｄｅｄｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄｕｐａｎｄｓｐｅｅｄｄｏｗｎｆａｓｔ．ＴｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅＡＴｍｅｇａ１６，ｗｈｉｃｈｇｅｎｅｒａｔｅｄＰＷＭ，ｉｔｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒ．Ｉｔｗｏｕｌｄｃｏｓｔａｌｏｎｇｔｉｍｅａｎｄｗｏｕｌｄｂｅｃｏｍｐｌｅｘ，ｉｆｌｅｔｔｉｎｇｔｈｅＡＴｍｅｇａ１６ｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｅｖｅｒｙｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓｅｒｖｉｃｅｒｏｕｔｉｎｅｉｎｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆＳｐｅｅｄ－ｕｐａｎｄＳｐｅｅｄ－ｄｏｗｎ．Ｓｏｉｔｗａｓｂｅｔｔｅｒｔｏｓａｖｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖａｌｕｅｓｉｎａｎａｒｒａｙｏｒｔａｂｌｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖａｌｕｅｓｂｙｔｈｅｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＤｅｓｉｇｎｏｆｐｒｏｇｒａｍｗｉｔｈＣｌａｎｇｕａｇｅｗａｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｔｅｐＭｏｔｏｒ；ＡＴｍｅｇａ１６；Ｓｐｅｅｄ－ｕｐＳｐｅｅｄ－ｄｏｗｎ；ＰＷＭ

１引言

现过冲现象。因此，合理的设计步进电机的加减速曲线对于系统稳定可靠的运行十分重要。

步进电机是一种易于精确控制的电机，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。步进电机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，将脉冲电信号转换成相应的角位移。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，广泛应用于机电一体化产品中。

由步进电机的矩频特性可知，脉冲频率与电磁转矩成反比。启动频率超过一定值，步进电机就会出现失步或堵转现象。加速过程中，若角加速度越大，系统的惯性转矩也越大，同样会出现上述现象。步进电机在高速运行状态下若突然停止，由于惯性，会出

收稿日期：２００７－０４－３０；收到修改稿日期：２００７－０７－１３作者简介：刘式控制技术。

丽（１９８２－），女，硕士研究生，专业方向：嵌入

２

２．１

加减速曲线

加减速曲线的选择

步进电机的加减速曲线常用的有：直线加减速

指数加减速曲线，如图１所曲线、Ｓ型加减速曲线、示。直线加减速曲线适用于控制系统处理速度较慢且对加速过程要求不高的场合；Ｓ型和指数加速曲线适用于控制系统处理速度快且对加速过程要求较高的场合。

图１（１）直线加减速曲线；（２）Ｓ型加减速曲线；

（３）指数加减速曲线

第３３卷第６期刘丽等：基于ＡＴｍｅｇａ１６单片机的步进电机加减速控制

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本系统中的步进电机用于驱动绕线机的排线机构，因此要求步进电机的运行速度范围较宽，还要求步进电机快速换向。考虑到以上要求和实现的难易程度，系统选用指数加速曲线，如图２所示。步进电机减速阶段电磁力矩增大，减速曲线要求较加速曲线低，但排线要求对称性，因此本系统减速过程是加速的逆过程。由步进电机的动态方程并假设转速从零开始加速，可得加速曲线方程：

（ｆｔ）＝ｆｍ－ｆｍｅ

－ｔ／τ

化，即每次中断的时间都跟随频率而变化，跟频率成反比。由式（１）可知，得由ｔ的值来计算（ｆｔ）的值，但

ｔ是由上次频率值的上升时间ｔｋ－１加上本次频率变

化的时间１，即：

ｆｋ

ｆｋ＝ｆｍ－ｆｍｅ－（

ｔｋ－１＋１／ｆｋ）／τ

直接计算很复杂，且还有指数函数的运算，这样要花费很多个机器周期，势必会影响产生的ＰＷＭ波的准确性。本控制系统采用查表法，将各阶段的频率值储存在表里或存储在数组里，而各个阶段的频率值可以采用倒推法计算得到，从大频率值计算到小频率值，即先由ｆｋ计算出ｔｋ值，再由ｔｋ－１计算ｆｋ－１值，

（１）

上式中，ｆｍ为步进电机的最高连续频率。τ是决定加速快慢的时间常数，可由实验来确定。

加速曲线由两部分构成，即突跳频率（启动频率）和指数曲线，如图２所示。

ｆｋ

依次计算下去。

３软件设计

软件采用Ｃ语言编程。Ｃ语言编程效率高，可读

性好，虽然生成的代码文件会比汇编语言占用的空间大５％～２０％，但现今芯片的容量和速度都有大幅度的提高，占用空间大小的差异已经不是很关键，而更注重程序的稳定性和开发时间。

加减速控制程序放在Ｔ１溢出中断程序里处理，通过改变计数器记数最高值ＯＣＲ１Ａ和比较匹配值

ＯＣＲ１Ｂ来控制输出ＰＷＭ波形频率的大小和占空比。

定义全局变量

图２

指数加速曲线

ｖｏｌａｔｉｌｅｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｓｔｅｐ＿Ｔｏｔｌｅ；／／每个行程所

要走的总步数

２．２加减速曲线的实现

ＡＴｍｅｇａ１６是ＡＴＭＥＬ公司的一款性价比非常

高的单片机。ＡＶＲ采用了Ｈａｒｖａｒｄ结构，具有的数据和程序总线，指令通过一级流水线运行，实现了指令的单时钟周期运行。用１６位的定时器Ｔ１来产生ＰＷＭ波形，可获得较宽频率的脉冲波。Ｔ１工作于相位和频率修正ＰＷＭ模式，可以产生高精度的、相位与频率都准确的ＰＷＭ波形。相频修正ＰＷＭ模式基于双斜坡操作，其对称性十分适合于电机控制。输出的ＰＷＭ频率可通过如下公式计算得到：

ｖｏｌａｔｉｌｅｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｓｔｅｐ＿ｔｏｔｌｅ；／／此行程已经运

行的步数

ｖｏｌａｔｉｌｅｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｓｔｅｐ＿ａｃｄｅ；／／已运行的加

减速步数

ｖｏｌａｔｉｌｅｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔＦｒｅｑ；／／步进电机需要达到

的频率值

ｖｏｌａｔｉｌｅｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔＦｔｅｍｐ；／／当前实际的频率值

并定义两个标志，一个标志是匀速还是非匀速，另一个标志是加速还是减速。程序流程如图３所示。

单片机ＡＴｍｅｇａ１６每产生一个脉冲中断一次，进入中断响应程序，首先记录步进电机已经走的步距角个数（一个脉冲走一个步距角），即（若ｓｔｅｐ＿ｔｏｔｌｅ＋＋，然后再根据所走步数决定是否换向

ｆ－Ｉ／ＯｆＯＣｎｘＰＦＣＰＷＭ＝ｃｌｋ

２＊Ｎ＊ＴＯＰ（２）

式中ｆＯＣｎｘＰＦＣＰＷＭ为输出频率，ｆｃｌｋ－Ｉ／Ｏ为ＣＰＵ频率，Ｎ为预分频因子（１、８、６４、２５６或１０２４），ＴＯＰ为Ｔ１记数的最高值。通过改变ＴＯＰ值就可改变频率，本系统采取在Ｔ１发生溢出中断时的中断程序里改变

ｓｔｅｐ＿ｔｏｔｌｅ＞＝ｓｔｅｐ＿Ｔｏｔｌｅ则步进电机换向），并判断是

否到达减速阶段。接着根据匀速、加减速标志进入相应的匀速、加速、减速处理子程序。如果是在加速或减速阶段，则根据加减速的步数值ｓｔｅｐ＿ａｃｄｅ作为下

ＴＯＰ值，从而达到改变频率的大小。

在加速或减速阶段，由于ＴＯＰ值在不断的变

１０８

中国测试技术２００７年１１月

中的参数ｆｍ和τ要反复做实验，根据具体的工作环加速和减速阶段的频率境和性能得到，并运行检验。

值序列，可以用ＶＣ编个小程序计算得到，并且将计算结果保存到文本文件里，然后直接拷贝到ＡＶＲ的经过实验证明，本系统所设计的Ｃ语言程序里即可。

升降速曲线能够使步进电机在不发生失步、堵转、超步的情况下快速的正反转，并且能够满足排线要求。

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图３

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４结束语

步进电机升降速曲线的设计是关键，对于式（１）

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第９２页）

良好的人机界面便于测试人员操作使用。

参考文献

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试验证明：Ｗｏｒｄ２０００－ＡｃｔｉｖｅＸ服务器同样也可适用于Ｗｏｒｄ２００３。Ｗｏｒｄ２０００－ＡｃｔｉｖｅＸ的应用，方便实现了检测报告的自动生成，

充分发挥了

ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ和Ｗｏｒｄ软件的强大优势，克服了

传统测试时手工记录中随意修改数据的现象，也便于文档的管理。

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