步進電機運動規(guī)律及速度控制方法 - 全文

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

圖 1 機電傳動控制

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

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

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

開始寫正題了,上完這門課,那個步進電機是讓我很癡迷的。步進電機在位 置控制,速度,控制方面有著卓越的作用,是其他電機無法比擬的。步進電機是 將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況 下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變 化的影響,當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向 轉(zhuǎn)動一個固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通 過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。

步進電動機的主要特點有如下幾點:

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

(2)開環(huán)控制,無需反饋,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化,工作更加可靠,維護更加方便,在一般定位驅(qū)動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調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,起動制動、反向及其他任何運行方式的改變,都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。

(4)誤差不積累。步進電動機每走一步所轉(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,其步距誤差是不會積累的。 步進電機區(qū)別于其他控制用途電機的最大特點是,它可接受數(shù)字控制信號(電脈沖信號)并轉(zhuǎn)化成與之相對應的角位移或直線位移,因而本身就是一個完成 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。

而且它能進行開環(huán)位置控制,輸入一個脈沖信號就得到一個規(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 必進行系統(tǒng)調(diào)整。因此,步進電機廣泛應用于數(shù)控機床、機器人、遙控、航天等 領(lǐng)域,特別是微型計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展,使步進電機獲得更為廣泛的應用。

步進電機的速度特性

步進電機的轉(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,而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)一定的情況下,只 要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步轉(zhuǎn)矩而啟動的, 為了不發(fā)生失步,啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉(zhuǎn)子直徑增大, 慣量增大,啟動頻率和最高運行頻率可能相差 10 倍之多。

為了充分發(fā)揮電機的快速性能,通常使電機在低于啟動頻率下啟動,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不發(fā)生失步, 并盡量縮短啟動加速時間。為了保證電機的定位精度,在停止以前必須使電機從 最高速度逐步減小脈沖率降到能夠停止的速度(等于或稍大于啟動速度)。因此, 步進電機拖動負載高速移動一定距離并精確定位時,一般來說都應包括“啟動-加 速-高速運行(勻速)-減速-停止”五個階段,速度特性通常為梯形,如果移動的距離 很短則為三角形速度特性,如圖 2 所示。

圖 2 步進電機的速度曲線

步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PC 機在適當?shù)臅r刻通過對硬件控制電路上的 8253 計數(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,在點位控制 中設(shè)置好速度曲線圖,在起動和升速時,使步進電機產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負載, 跟上規(guī)定的速度和加速度;在減速時,下降特性使負載不產(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源,啟動細分驅(qū) 動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)動步進電機運動。 步進電機運動方向的改變及啟動和停止均由計算機控制硬件控制電路實現(xiàn)。

圖 3 步進電機控制系統(tǒng)

軟件和硬件結(jié)合起來一起進行控制,具有電路簡單、控制方便等優(yōu)點。在這種控制中,微機軟件占用的存儲單元少,程序開發(fā)不受定時限制。只要外部中斷 允許,微機就能在電機的每一步之間自由地執(zhí)行其他任務,以實現(xiàn)多臺步進電機 的運動控制。

定時器初值的確定

步進電機的實時控制運用 PC 機,脈沖方波的產(chǎn)生采用 8253 定時器,其計數(shù) 器 0 工作于方式 0 以產(chǎn)生脈沖方波,計數(shù)器 1 工作于方式 1 起記數(shù)作用,8253 計數(shù)器 0 的鐘頻由 2MHz 晶振提供。設(shè)計算機賦給 8253 計數(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 為啟動頻率,f0 為晶振頻率。

步進電機升降速數(shù)學模型

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

Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脈沖定時為:

(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),并簡化 fn 與 tn 的關(guān)系,得出加速階段的數(shù)學模型為:

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

加速階段脈沖頻率的變化為:

(7)

從(6)、(7)式可以看出,在加速階段,脈沖頻率不斷升高,且加速度以二次 函數(shù)增加。這種加速方法對步進電機運行十分有利,因為啟動時,加速度平緩, 一旦步進電機具有一定的速度,加速度增加很快。這樣一方面使加速度平穩(wěn)過渡, 有利于提高機器的定位精度,另一方面可以縮短加速過程,提高快速性能。
對于減速階段,按照與上述類似的分析方法,可以得出脈沖頻率特性的表達方式為:

(8) (9)

其中,A=-δ, B=(2T1-δ)2,C=8δ,T1為減速開始時脈沖周期,δ為減速階段相鄰兩個脈沖周期的增量。由于 T1>>δ,則 B=4T12,由(8)、(9)式可以看出,脈沖 頻率在減速階段不斷下降,且加速度為負,絕對值以二次函數(shù)減小。這種減速性 能對步進電機同樣有利,它使步進電機在減速時能夠平穩(wěn)地停止而沒有沖擊,提 高了機器的定位精度。

綜上所述,可以得出本設(shè)計的脈沖頻率特性(見圖 4)。

圖 4 脈沖頻率特性

實驗及總結(jié)

通過開發(fā) Windows 環(huán)境下的控制軟件,利用 VC++設(shè)計良好的控制接口界面, 方便地實現(xiàn)了運動方式、速度、加減速的選擇和位置控制,具有一定程度的智能。 該控制單元減少了 PC 機被占用時間,以便于在電機運行的同時去完成別的工作, 從而實現(xiàn)了三臺步進電機的加減速和速度及位置控制。并且利用了細分驅(qū)動電源, 提高了步進精度和定位精度。