基于可編程控制器的步進電機閉環(huán)智能控制系統(tǒng)

李勇

摘 要：步進電機控制器是集電機控制、驅(qū)動一體的模塊化控制器，在工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備控制中，步進電機控制器因為具有可靠性高、穩(wěn)定性好、模塊化組裝、維護方便優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中廣泛應(yīng)用于動力執(zhí)行單元。控制系統(tǒng)對于外部環(huán)境變化的實時響應(yīng)是影響工業(yè)生產(chǎn)中的重要因素，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)及時進行處理與動作。在這一背景下，步進電機作為工業(yè)控制中的動力輸出單元，需要滿足當(dāng)下復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場中對于負載變化實時響應(yīng)的需求。基于此，本篇文章對可編程控制器的步進電機閉環(huán)智能控制系統(tǒng)進行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;步進電機;閉環(huán);智能控制系統(tǒng)

引言

步進電機具有機械結(jié)構(gòu)簡單、沒有累計誤差、控制靈活、成本較低等優(yōu)點被廣泛的使用在自動控制領(lǐng)域，比如打印機、機床、機器人等，但是步進電機有著很明顯的缺點，低速運動由于步距角太大使電流不連續(xù)會產(chǎn)生振動，高速電機會產(chǎn)生失步的現(xiàn)象，所以很多高精度的場合并不適用步進電機。因此為了適應(yīng)工業(yè)界的發(fā)展人們將永磁同步電機矢量控制方法的思想引入到了步進電機中來，由于電機結(jié)構(gòu)的不同，人們對步進電機的矢量控制在不同的方向上進行了簡化，采用了恒流斬波的驅(qū)動方式實現(xiàn)了步進電機步距角的128細分，采用了將量化的步進電機細分電流制成了表格，存入軟件的數(shù)組中，使用時根據(jù)數(shù)組中的數(shù)據(jù)給定期望的電流，再通過采集相電流形成閉環(huán)的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)256細分的驅(qū)動控制。這些控制方式都是可以增加步進電機的細分數(shù)和運行的平穩(wěn)度，但是還是對矢量控制的過程做了一定程度的簡化，不能實現(xiàn)任意細分。因此本文將從矢量控制根本性原理進行詳細推導(dǎo)，從而實現(xiàn)任意細分和恒力矩的步進電機驅(qū)動器。

1步進電機

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機，由于其結(jié)構(gòu)簡單、開環(huán)精度高、成本低等優(yōu)點而在大量中低端場合得到廣泛應(yīng)用。

2步進電機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1）單片機模塊：在單片機模塊設(shè)計中，需要按照需求選擇出最佳的單片機、外圍濾波、電源管理、晶振。以MSP430FG4618單片機為例，可以很好地滿足步進電機的存儲要求，這主要是因為這一單片機內(nèi)配置了116kBFlash和8kBRAM。在晶振使用方面，主要可以選用32kHz晶振和8MHz晶振，均有著較好的應(yīng)用優(yōu)勢。為了便于快速且準(zhǔn)確改變步進電機的工作狀態(tài)，設(shè)計時要設(shè)置P1和P2端口，以按鍵狀態(tài)判斷作為依據(jù)，通過跳入中斷服務(wù)程序來有效改變步進電機的工作狀態(tài)。2）鍵盤LED模塊：在當(dāng)前的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計中，人機對話是必須實現(xiàn)的一大功能，可考慮在系統(tǒng)中設(shè)計按鈕矩陣鍵盤和LED數(shù)碼管，并具備工作人員直接動手操作這一系統(tǒng)的功能。待步進電機控制系統(tǒng)通電后，鍵盤可以自主輸入相關(guān)的信息，比如步進電機的轉(zhuǎn)向信息、啟停信息、轉(zhuǎn)速信息，而LED數(shù)碼管可以動態(tài)顯示步進電機的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。在實際設(shè)計時有一點需要有所考慮，即要努力減輕單片機的工作壓力，鍵盤輸入與LED數(shù)碼管的輸出應(yīng)考慮實施集中性控制。若是有設(shè)計需求，則在鍵盤掃描輸入方式的設(shè)計上可以加入去抖動功能，這樣可以有效避免誤觸發(fā)問題。3）驅(qū)動/放大模塊：驅(qū)動/放大模塊的設(shè)計是一大難點，需要考慮多個方面的要素，所要實現(xiàn)的功能也較多，必須認真開展設(shè)計工作。具體來說，步進電機的控制系統(tǒng)要選擇合適的脈沖分配器，也稱之為邏輯轉(zhuǎn)換器，以脈沖分配器PMM8713為例，搭載著較強的集成電路，相輸出驅(qū)動能力為20mA，可以滿足三相步進電機和四相步進電機的運行要求。在選定脈沖分配器后，要重點確定激勵方式，當(dāng)前所使用的激勵方式較多，應(yīng)結(jié)合實際情況進行綜合性的考慮。在三相與四相步進電機的激勵方式中，均可以選擇1相、2相、1～2相的激勵方式，輸入方式可以選單時鐘和雙時鐘。在長期的研究與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，無論是單時鐘還是雙時鐘，均具有多項顯著功能，包括正反轉(zhuǎn)控制、激勵方式監(jiān)視、原點監(jiān)視、輸入脈沖監(jiān)視。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

由電壓方程h和轉(zhuǎn)矩方程c，得到可編程控制器算法的輸入量，對步進電機速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)進行閉環(huán)控制。電機速度環(huán)和電流環(huán)采用積分離的PI調(diào)節(jié)，計算t時刻電機繞組的電壓偏差J（t）公式為J（t）=h1（t）-h2（t）（1）式中：h1（t），h2（t）分別為繞組電壓的參考值和實際值。對電壓偏差J（t）進行限幅處理，預(yù)設(shè)電壓偏差范圍i，當(dāng)電壓偏差在范圍i之內(nèi)，對J（t）進行比例放大和積分，當(dāng)偏差在范圍i之外，僅對J（t）進行比例放大。計算積分項開關(guān)系數(shù)j，公式為 （2）

電機速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)量K（t）表達式為 （3）

式中：k為比例系數(shù);L為時間積分常數(shù)。通過比例放大，對電壓偏差J（t）作出快速反應(yīng)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速率，加快速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)，通過積分，在定時間內(nèi)實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，消除電壓偏差J（t）。可編程控制器的比例系數(shù)k為式中：l，m分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋參數(shù);M為磁通;N為總電阻;O為電動勢參數(shù);p為磁極對數(shù)。位置環(huán)采用比例調(diào)節(jié)，計算t時刻電機轉(zhuǎn)矩偏差P（t），式為P（t）=c1（t）-c2（t）（11）式中：c1（t），c2（t）分別為電機轉(zhuǎn)矩的參考值和實際值。位置環(huán)調(diào)節(jié)量n（t）表達式為n（t）=kP（t）（4）通過調(diào)節(jié)量K（t）和n（t），對電機的電流和轉(zhuǎn)子位置進行調(diào)節(jié)，構(gòu)成三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。至此完成可編程控制器閉環(huán)控制算法的優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計，完成基于可編程控制器的步進電機閉環(huán)智能控制系統(tǒng)設(shè)計。

結(jié)束語

總而言之，此次研究將可編程控制器作為中央主控單元，設(shè)計了一種步進電機閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，步進電機能夠快速跟蹤指令信號，且電機運行更加穩(wěn)定。但此次設(shè)計系統(tǒng)仍存在一定不足，在今后的研究中，會同時加入位置環(huán)和速度環(huán)進行調(diào)試，在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中加入光電編碼器，獲取轉(zhuǎn)子速度和位置，結(jié)合參數(shù)自動辨識算法，對步進電機進行無位置控制，進一步提高系統(tǒng)對步進電機的控制性能。

參考文獻

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