步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及速度控制方法

機(jī)電傳動(dòng)控制是機(jī)電一體化人才所需要知識(shí),由于電力傳動(dòng)控制裝置和機(jī)械設(shè)備是一個(gè)不可分割的整體,所以我 么能從中了解到機(jī)電傳動(dòng)控制的一般知識(shí),要掌握電機(jī)、電器、晶閘管等工作原 理、特性、應(yīng)用和選用的方法。了解最新控制技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用。在現(xiàn)代 工業(yè)中,機(jī)電傳動(dòng)不僅包括拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī),而且還包括控制電動(dòng)機(jī)的一 整套控制,以滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化的要求。也就是說(shuō),現(xiàn)代機(jī)電傳動(dòng)是和各種控 制元件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起。機(jī)電系統(tǒng)一般可分為圖一所示的三個(gè)部 分。

圖 1 機(jī)電傳動(dòng)控制

在沒上這門課之前,在我自己認(rèn)為,電機(jī)就是那些就是高中學(xué)的那些直流電動(dòng)機(jī),就是通電線圈在磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。那是直流電動(dòng)機(jī)了,慢慢的我接觸了交流電動(dòng)機(jī), 剛開始知道 220V 市電。記得大一下學(xué)期,我們金工實(shí)習(xí)了,看到工訓(xùn)下面那么 多的車床,銑床,鉆床......由于要提供大的功率,所以主電機(jī)都是選用 380V。上 完這門讓我更詳細(xì)了解他們內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工作原理。

還說(shuō)明知識(shí)是慢慢積累的過 程。見的多學(xué)的多。我明白了很多以前的疑惑?？吹诫娨暀C(jī)上那些智能機(jī)器人, 他們的活動(dòng)很自如,就像仿生肌肉一樣。尤其是日本的機(jī)器人。它的機(jī)械臂很有 可能是步進(jìn)電機(jī)控制的,還有一種說(shuō)法是液壓與氣壓控制的。我覺的兩者都有。 很有幸大一時(shí)候進(jìn)入了第二課堂,在里面學(xué)到東西,也接觸了步進(jìn)電機(jī),我是在 學(xué) 51 單片機(jī)那時(shí)候也買了一個(gè),就覺得很神奇。

在加上前幾天參加了江西省電子設(shè)計(jì)大賽,我就感覺到要是要選控制類的題目做,步進(jìn)電機(jī)是不能少的。所以 步進(jìn)電機(jī)是個(gè)好東西。我在網(wǎng)上查了一下資料,上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī),它 是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵,動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)沒有什么區(qū)別, 也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。很遺憾的是它是國(guó)外人發(fā)明的。

開始寫正題了,上完這門課,那個(gè)步進(jìn)電機(jī)是讓我很癡迷的。步進(jìn)電機(jī)在位 置控制,速度,控制方面有著卓越的作用,是其他電機(jī)無(wú)法比擬的。步進(jìn)電機(jī)是 將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況 下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變 化的影響,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通 過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)有如下幾點(diǎn):

(1)轉(zhuǎn)速和步距值不受電壓波動(dòng)、負(fù)載變化和溫度變化的影響,只與脈沖頻率同步,轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量只取決于總的脈沖信號(hào)數(shù)。

(2)開環(huán)控制,無(wú)需反饋,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,工作更加可靠,維護(hù)更加方便,在一般定位驅(qū)動(dòng)裝置中具有足夠高的精度。

(3)控制性能好,可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,起動(dòng)制動(dòng)、反向及其他任何運(yùn)行方式的改變,都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。

(4)誤差不積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論值之間總有一定的 誤差但它每轉(zhuǎn)一圈都有固定的步數(shù),所以在不失步的情況下,其步距誤差是不會(huì)積累的。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制用途電機(jī)的最大特點(diǎn)是,它可接受數(shù)字控制信號(hào)(電脈沖信號(hào))并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移,因而本身就是一個(gè)完成 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。

而且它能進(jìn)行開環(huán)位置控制,輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量。 這樣的增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比,其成本明顯降低,幾乎不 必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。因此,步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、遙控、航天等 領(lǐng)域,特別是微型計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展,使步進(jìn)電機(jī)獲得更為廣泛的應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)的速度特性

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成 正比,而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下,只 要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進(jìn)電機(jī)是借助它的同步轉(zhuǎn)矩而啟動(dòng)的, 為了不發(fā)生失步,啟動(dòng)頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉(zhuǎn)子直徑增大, 慣量增大,啟動(dòng)頻率和最高運(yùn)行頻率可能相差 10 倍之多。

為了充分發(fā)揮電機(jī)的快速性能,通常使電機(jī)在低于啟動(dòng)頻率下啟動(dòng),然后逐 步增加脈沖頻率直到所希望的速度,所選擇的變化速率要保證電機(jī)不發(fā)生失步, 并盡量縮短啟動(dòng)加速時(shí)間。為了保證電機(jī)的定位精度,在停止以前必須使電機(jī)從 最高速度逐步減小脈沖率降到能夠停止的速度(等于或稍大于啟動(dòng)速度)。因此, 步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載高速移動(dòng)一定距離并精確定位時(shí),一般來(lái)說(shuō)都應(yīng)包括“啟動(dòng)-加 速-高速運(yùn)行(勻速)-減速-停止”五個(gè)階段,速度特性通常為梯形,如果移動(dòng)的距離 很短則為三角形速度特性,如圖 2 所示。

圖 2 步進(jìn)電機(jī)的速度曲線

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PC 機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻通過對(duì)硬件控制電路上的 8253 計(jì)數(shù)器 0 賦初值,設(shè)置好 加減速過程的頻率變化(即速度、加速度變化),以防止失步。例如,在點(diǎn)位控制 中設(shè)置好速度曲線圖,在起動(dòng)和升速時(shí),使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)負(fù)載, 跟上規(guī)定的速度和加速度;在減速時(shí),下降特性使負(fù)載不產(chǎn)生過沖,停止在規(guī)定 的位置。硬件控制電路板上的 8253 產(chǎn)生脈沖方波作為中斷信號(hào)源,啟動(dòng)細(xì)分驅(qū) 動(dòng)電路中的固化程序以產(chǎn)生一定頻率的脈沖,經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的改變及啟動(dòng)和停止均由計(jì)算機(jī)控制硬件控制電路實(shí)現(xiàn)。

圖 3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

軟件和硬件結(jié)合起來(lái)一起進(jìn)行控制,具有電路簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在這種控制中,微機(jī)軟件占用的存儲(chǔ)單元少,程序開發(fā)不受定時(shí)限制。只要外部中斷 允許,微機(jī)就能在電機(jī)的每一步之間自由地執(zhí)行其他任務(wù),以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn)動(dòng)控制。

定時(shí)器初值的確定

步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制運(yùn)用 PC 機(jī),脈沖方波的產(chǎn)生采用 8253 定時(shí)器,其計(jì)數(shù) 器 0 工作于方式 0 以產(chǎn)生脈沖方波,計(jì)數(shù)器 1 工作于方式 1 起記數(shù)作用,8253 計(jì)數(shù)器 0 的鐘頻由 2MHz 晶振提供。設(shè)計(jì)算機(jī)賦給 8253 計(jì)數(shù)器 0 的初值為 D1, 則產(chǎn)生的脈沖方波頻率為 f1=f0/D1,周期T1=1/f1=D1/f0,D1=f0T1=f0/f1。其中, f1 為啟動(dòng)頻率,f0 為晶振頻率。

步進(jìn)電機(jī)升降速數(shù)學(xué)模型

為使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中不出現(xiàn)失步現(xiàn)象,一般要求其最高運(yùn)行頻率應(yīng)小于 (或等于)步進(jìn)響應(yīng)頻率 fs。在該頻率下,步進(jìn)電機(jī)可以任意啟動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)而 不發(fā)生失步現(xiàn)象。 步進(jìn)電機(jī)升降速有兩種驅(qū)動(dòng)方式,即三角形與梯形驅(qū)動(dòng)方式 (見圖 1),而三角形驅(qū)動(dòng)方式是梯形驅(qū)動(dòng)的特例,因而我們只要研究梯形方式。 電機(jī)的加速和減速是通過計(jì)算機(jī)不斷地修改定時(shí)器初值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在電機(jī)加速階 段,從啟動(dòng)瞬時(shí)開始,每產(chǎn)生一個(gè)脈沖,定時(shí)器初值減小某一定值,則相應(yīng)的脈 沖周期減小,即脈沖頻率增加;在減速階段,定時(shí)器初值不斷增加,則相應(yīng)的脈 沖周期增大,脈沖頻率減小,對(duì)應(yīng)梯形脈沖頻率特性的減速階段。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 是確定脈沖定時(shí) tn,脈沖時(shí)間間隔即脈沖周期 Tn 和脈沖頻率 fn。假設(shè)從啟動(dòng)瞬 時(shí)開始計(jì)算脈沖數(shù),加速階段的脈沖數(shù)為 n,并設(shè)啟動(dòng)瞬時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn),定時(shí)器 初值為 D1,定時(shí)器初值的減量為△。從加速階段的物理過程可知,第一個(gè)脈沖周 期,即啟動(dòng)時(shí)的脈沖周期 T1=D1/f0,t1=0。由于定時(shí)器初值的修改,第 2 個(gè)脈沖 周期 T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,脈沖定時(shí) t2=T1,則第 n 個(gè)脈沖的周期為:

Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脈沖定時(shí)為:

(2)脈沖頻率為:

1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0

(3)上式分別顯示了脈沖數(shù) n 與脈沖頻率 fn 和時(shí)間 tn 的關(guān)系。令△/f0=δ,即加 速階段相鄰兩脈沖周期的減量,則上述公式簡(jiǎn)化為:

tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)

1/fn=T1-(n-1)δ (5)

聯(lián)立(4)、(5),并簡(jiǎn)化 fn 與 tn 的關(guān)系,得出加速階段的數(shù)學(xué)模型為:

其中,是常數(shù),其值與定時(shí)器初值及定時(shí)器變化量有關(guān),A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。

加速階段脈沖頻率的變化為:

(7)