步進(jìn)電機(jī)升降速控制技術(shù)的研究

摘 要:介紹了步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性，角加速度的變化規(guī)律以及各種升降速速度控制方案。通過(guò)離散方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)升降速的過(guò)程進(jìn)行了控制，并利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)升降速的離散控制。

關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)離散控制

中圖分類號(hào):TM3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)09(a)-0061-01

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁機(jī)械裝置[1]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)的速度并不是一次升到位后以恒定速度運(yùn)行。它對(duì)運(yùn)行的速度是有要求的，步進(jìn)電機(jī)升(降)速時(shí)，應(yīng)使頻率的變化量逐次遞增(或遞減)，若步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率變化不合理，就會(huì)使電機(jī)失步或過(guò)沖，無(wú)法做到準(zhǔn)確定位。從步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可以知道啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，限制了步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率，并在起動(dòng)頻率越快時(shí)，又可能發(fā)生失步。因此，在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)采取升降速控制技術(shù)。

1 步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)一位控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，我們稱為絕對(duì)位置。絕對(duì)位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的范圍，超越了這個(gè)極限就應(yīng)報(bào)警。第二個(gè)參數(shù)是從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離，我們可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制的一般作法是:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步，步數(shù)減1，如果沒(méi)有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，步數(shù)正好減到0。因此，用步數(shù)等于0來(lái)判斷是否移動(dòng)到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。絕對(duì)位置參數(shù)可作為人機(jī)對(duì)話的顯示參數(shù)，或作為其他控制目的的重要參數(shù)，因此也必須要給出。

2 步進(jìn)電機(jī)加減速速度曲線方案選擇

步進(jìn)電機(jī)的理想加減速曲線為非線性曲線。目前國(guó)內(nèi)外使用較多的加減速控制方法主要有三種:直線型加減速速度曲線、指數(shù)型加減速速度曲線、S型加減速速度曲線三種。直線型加減速速度曲線，這種升降速控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)單，節(jié)省資源，其主要缺點(diǎn)是在加速過(guò)程開始和結(jié)束時(shí)速度是突跳變的，加速度的突跳變意味著驅(qū)動(dòng)力的突變，由此帶來(lái)的沖擊較大，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可能造成失步現(xiàn)象;指數(shù)型加減速曲線，比較符合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，數(shù)學(xué)表達(dá)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)計(jì)算，加減速終了時(shí)加速度突變小，沖擊較小。其不足是啟動(dòng)過(guò)程仍然存在較大沖擊，加減速過(guò)程結(jié)束時(shí)速度變化是漸進(jìn)線的，變化過(guò)程太大，需要進(jìn)行一些修正處理，適用于控制系統(tǒng)處理速度快且對(duì)升降速過(guò)程要求較高的場(chǎng)合;S型加減速曲線，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩性能最好，啟動(dòng)和結(jié)束都是連續(xù)可導(dǎo)的，因此具有平穩(wěn)精確的加減速性能。其主要不足是數(shù)學(xué)表達(dá)復(fù)雜，主要適用于加減速的平穩(wěn)性要求最高的場(chǎng)合。

比較以上幾種加減速控制方法，考慮到編程實(shí)現(xiàn)的難易程度等因素，選用指數(shù)型加減速速度曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。將指數(shù)型加減速曲線離散化。

3 步進(jìn)電機(jī)的指數(shù)型加減速曲線控制算法實(shí)現(xiàn)

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變加速度控制，實(shí)際上就是控制脈沖的頻率，升速時(shí)使脈沖頻率增高，減速時(shí)使脈沖頻率降低。一般采用軟件延時(shí)法和定時(shí)器法來(lái)確定脈沖的周期:軟件延時(shí)法指的是依靠延時(shí)程序來(lái)改變脈沖輸出的頻率，其中延時(shí)的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的，軟件法在電機(jī)控制中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間，使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作;定時(shí)器法是利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)常數(shù)，在升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增大，減速時(shí)使脈沖頻率逐漸減小，這種方法不占用CPU運(yùn)行時(shí)間，比較適用。

為了減少每級(jí)計(jì)算裝載定時(shí)器值的時(shí)間，將電機(jī)在每一級(jí)速度下運(yùn)行的時(shí)間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的步數(shù)，存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，固化在系統(tǒng)的EPROM中，在需要時(shí)直接查表即可。以步數(shù)代替時(shí)間，使得對(duì)電機(jī)的控制更加方便，易于編程實(shí)現(xiàn)，也大大減少占用CPU運(yùn)算的時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。設(shè)計(jì)升速、減速過(guò)程的總步數(shù)25步，電動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中，一直對(duì)這個(gè)總步數(shù)進(jìn)行遞減操作，當(dāng)減至零時(shí)表示升速過(guò)程完畢，轉(zhuǎn)入恒速運(yùn)行;電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行過(guò)程中，一直對(duì)這個(gè)總步數(shù)進(jìn)行遞減操作，當(dāng)減至零時(shí)表示恒速過(guò)程完畢，開始轉(zhuǎn)入減速運(yùn)行。減速運(yùn)行步數(shù)與升速總步數(shù)相同，只是按相反的順序進(jìn)行即可。步進(jìn)電機(jī)加減速速度控制算法流程圖如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

采用本文所提出的指數(shù)型加減速曲線控制算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)在工作頻率內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)失步、跳步或其他異常現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]劉曉山.單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[B].機(jī)電工程技術(shù)，2004.

[2]劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[碩士學(xué)位論文].山東大學(xué)，2010.