步进电机加减速控制技术研究.pdf

第 6期 2 0 0 6年 1 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 6 De c ．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 6 0 0 6 5 --0 3 步进电机加减速控制技术研究 王建 ， 张玉峰 ， 李磊 西安科技大学电控学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 文章主要介绍了步进电机加 减速控制技术， 分析 了步进 电机短距 离加减速控制的特殊性 ， 提 出了 加减速控制方案 ， 同时也分析 了整机运行过程 中产生的共振现象及其解决方法。 关键词 步进电机 ； 加减速控制；匀加减速 ； 指数规律加减速 ；共振 中图分类号 T M3 4 1 文献 标 识码 B 0 引言 众所周知 ， 步进 电机有一个空载启动频率 ， 即步 进电机在空载情况下 能够正常启动 的脉 冲频率 ， 如 果脉冲频率高于该值 ， 电机不能正常启动 ， 可能发生 失步或堵转。在有负载的情况下 ， 启动频率应更低 。 但是， 如果启动频率过低的话 ， 就会影响整机的测试 频率。为了兼顾测试效 率与稳定性 的要求 ， 必须对 步进电机采用加减 速控 制技术 ， 这 样既保证 了整机 运行可靠性 ， 又提高了测试效率 。 步进电机加减速控 制技术应用范 围很广 ， 在许 多工业控制场合都会用到该项技术 。它们的应用特 点与控制方法有共性 ， 但是除了共性之外 ， 步进电机 加减速控制技术也有 其特殊性 ， 主要表现为以下两 个方面 1 对大多数场合来讲 ， 加减速控制技术一 般应用于长距离运动 ， 有些工业控 制场合对精度要 求并不高。这样一来 ， 步进电机在运行过程中可充 分升速 ， 直至达到最高运行频率 ， 该过程是一充分加 速的过程。 2 步进电机用于短距离控制时 ， 对于 较小的图形间距所对应的步进 电机运行脉冲数未必 能使步进电机充分升速至最高运行 速度 ， 而升降速 控制也会出现如图 1所示 的 3种情况 以匀加速 为 例说明 ， 这就意味着步进电机短距离 的加减速控制 必须要充分考虑到各种不同的图形间距的加减速控 制 问题 。 要从稳定性 、 精度、 整机运行速度等方面全面综 合地考虑到各种情况的加减速控制， 这在某种程度上 增加了控制的难度。图 2是步进 电机控制工作台的 收稿 日期 2 0 0 6 0 8 2 8 作者简介 王 建 1 9 7 8 一 ， 男， 西安科技 大学电控学院教师 。 现 主要从事 单片机教学工作 。 控制逻辑图。从图 2 可以看出， 步进电机的加减速运 动很频繁， 每走一个图形间距就是一个加减速过程。 X Y精密工作 台步进运 动与 Z向上升下降往返运动 构成了一振动源。通常可 以这样理解 ， 这种运动方式 本身就是一种振动运动方式。这样 以来 ， 就必须要考 虑共振 问题 ， 包括 步进 电机 自身 的低频 共 振 以及 XY Z运动共同组成的振动源与整机的共振问题。这 是步进 电机加减速控制技术又一特殊之处 。 ，t a b 图 1 步进电机升降速控制 图 厂丽 ] l 兰 生 垄 l 匪囡 匪阖 ， 向步进 向换向 图 2 步进 电机控制工 作 台的控 制逻辑 图 1 常用的加减速控制方法及其特点 l _ 1 匀加 减速 控 制 在步进 电机升速过程中 ， 匀加减速运动是加速 度保持一恒定值不变 ， 速度以线性规律上升 ， 如图 3 所示。该种加速方法快速性较好 ， 但 由于速度 呈线 性上升或下降规律 ， 不完全符合 步进 电机的速度变 化规律 ， 所 以该种加减速控制方 法效果不是十分理 想 。笔者曾做过匀加减速控制实验 ， 步进 电机处于 维普资讯 6 6 工矿 自动 化 2 0 0 6年 1 2月 负载状态下可以按预期的 目标升降速， 但是反映出 过冲量大、 稳定性差、 噪音大的现象。所以在短距离 的步进电机加减速控制中不适合采用该方法。 图 3 匀加减速控制脚 1 ． 2 指 数规 律加 减速控 制 指数规律加减速是指在加减速控制过程 中， 步 进电机的速度呈指数规律上升或下降。开始加速度 最大， 且随着速度的升高而逐渐减小 ， 速度上升得越 来越慢。当速度上升至最高值 时， 加速度降低 至最 小， 理想情况下应接近于 0 ， 如图 4所示。用指数规 律加减速能充分保证步进电机 的运行稳定性 ， 同时 兼顾了升降运行快速性。事实上 ， 用指数规律加减 速是与理论分析结 果完全符合 的， 理论分析表明步 进电机的速度变化规律符合某种指数规律 。用指数 规律加减速完全可以满足短距离步进控制的要求 。 f 图 4 指数规律加减 速控 制图 2 短距离步进电机加速度控制 2 ． 1加 速 度 控 制 由于步进电机转动时 ， 电机各相绕组 的电感将 形成 一个反电势 ， 在 升速过程 中， 频率越高 ， 反 电势 越大。在它 的作用下 ， 电机随频率 或速度 的增大 而相电流减小 ， 从而导致输出力矩下降。所以， 若步 进电机升降速曲线不合理 ， 会造成失步或堵转现象 ， 从而直接影响到整机的精度与稳定性。所以必须要 经过严格的理论计算与大量的实验来确定最佳的加 减速控制方案。由于步进 电机为单片机主控 ， 指数 曲线在实际软件编程中比较麻烦 ， 所 以采用离散逼 近法获得理想的升降速 曲线， 将事先算好 的数据存 贮在 R O M 内， 在工作过程中直接读取。控制规律 如图 5 所示 。步进电机 以一“ 突跳频率” 启 动， 并按 指数规律上升 。在步进 电机速度变化过程 中， 速度 不是连续变化 ， 而是按分档阶梯变化 ， 每一个速度阶 梯的运行时间都不同。随着速度 的上升 ， 对应速度 阶梯运行时间也呈上升趋势 ， 即随着速度的上升， 对 应阶梯运行脉冲数也随之增加 。 图 5 离 散逼近法控制规律 图 经过大量的理论计算与实验验证 ， 这种步进电 机的加减速控制方案取得 了较为理想 的效果 。此 外 ， 笔者还采用 了区分不同图形间距 分段加速的方 法 ， 将加减速控制做得更加精细， 这样可在不影响精 度与稳定性的前提下 ， 将速度提高 1倍 。具体流程 如 图 6 所 示 。 加速 段初始 化 二丁 _ t 输 出脉冲 速段初始 输 出脉冲 速段初始 王 输出脉冲 图 6 控 制 流程 图 2 ． 2 共振 问题 的 解决 共振问题是决定步进电机整机运行性能的一个 重要因素。若整机在运行过程 中发生共振现象 ， 将 会对整机稳定性和寿命产生较大 的影响 ， 还会增加 整机的运行噪音 ， 从而影响加工的质量。所以， 共振 问题必须引起足够的重视 。主要从以下几个方面来 改善共振现象 1 选用带细分的驱动器与三相混 合式步进电机， 细分技术可以很好地改善电机的运 行性能 ， 步进电机 的细分控制是由驱动器精确控制 步进电机的相电流实现的。以二相 电机为例 ， 假如 电机的额定相电流为 3 A， 如果使用常规驱动器 如 N - L 维普资讯 第 6期 2 0 0 6年 1 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 6 De c ．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 o o 6 0 6 0 0 6 7 0 4 在供应链环境下实施V MI库存控制的设想 李 刚 兖矿集团物资部 ， 山东 邹城2 7 3 5 0 0 摘要 文章指 出面对激烈的市场竞争 ， 为适应供应链管理、 降低储备 、 减 少资金 占用， 兖矿 集团必须 实施 VMI 供应商管理用户库存 的管理模 式， 并给出了具体的实施方法。 关键词 煤矿；供应链 ； VMI 中 图分 类号 T D 6 7 9 ； F 2 7 0 ． 7 文献标 识 码 B 0 引言 面对激烈 的市场竞争， 兖矿集 团物资供应 中心 必须改变 目前 的经营思想 ， 创建 自己的供应链 ， 实行 供应链 管理模 式 。 所谓 供应链 管 理 S u p p l y C h a i n Ma n a g e me n t ， S C M 是一项运 用网际网络 的整体解 决方案， 目的在于把产品从 供应商即时有 效地运送 给制造商与最终用户 ， 将物流配送 、 库存管 理、 订单 处理等资讯进行整合 ， 通过 网络进行传输。其功能 在于降低库存 、 保持产品有效期、 降低物流成 本及提 高服 务 品质 。 o 6 -- 0 8 -- 1 、 。． 根据供应链管理的理念 ， 兖矿集 团物资供应中1 9 6 作者简介 李 刚 2 一 。 毕业于 中国矿业 大学管 理学院 ， 工 一 ⋯⋯～ ⋯⋯一⋯⋯⋯⋯ ⋯ ⋯ 程师， 现在兖矿集团物资部从事物资 供应管理工作。 心宜采用以集成物流供应商为主导的供应链 管理模 常用的恒 流斩 波 方 式 驱动该 电 机， 电机每 运 行 1 步 ， 其绕组内的电流将从 0突变为 3 A或从 3 A 突变到 0 ， 相电流的巨大变化， 必然会引起电机运行 的振动和噪音 。如果使用细分驱 动器 ， 在 1 0细分的 状态下驱动该 电机， 电机每运行 1 微步 ， 其绕组内的 电流变化只有 0 ． 3 A而不是 3 A， 且 电流是 以正弦 曲线规律变化 ， 这样就大大地降低 了电机的低频振 动和噪音， 而且细分控制不但不会 引起 电机力矩 的 下降， 相反， 力矩会有所增加。而三相混合式步进 电 机 自身具有分辨率高、 精度高、 低频无震荡 、 高频力 矩大等优点， 可以配合细分驱动器更 大程度地改善 共振现象。 2 由于 XY Z运动共 同组成 的振动源 振动频率很可能与整机的固有频率发生共振 。为了 避免此种现象 ， 必须设法改变 XY Z运动 的振 动频 率或改变整机固有频率来使两者的振动频率位于不 同的频率区间来解决该问题。由于对应不同的 Xy 图形 间距与 Z 向抬 升量组合运 动时 发出的振动频 率不尽相同， 在步进电机升降速曲线确定以后， 未必 能完全避免某些范 围内的共振现象 。因此 ， 在整机 软件开发中， 笔者加入多个可灵活设置的时间参数 ， 可根据不同需要在局部范 围内改变 XY Z运动 的振 动频率 ， 从而尽可能地避免共振 现象 的发生。经过 实践验证 。 共振 现象有 了明显 改善 ， 取得 了 良好 的 效果。 3 结 语 综上所述 ， 步进 电机加减 速控制技术是一项关 键技术。步进电机升降速 曲线 的设计直接影响电机 运行的平稳性 、 升降速 的快慢 、 电机运行 的噪声 、 最 高速度、 定位精度等 ， 从而决 定了整机 的综 合性能。 对加减速控制技术的研究是 一个永无止境 的过程， 只有从持续 的产品开发实践中， 不断地积累经验 ， 结 合理论去不断探索 ， 才能逐步达到最佳的控制状态。 参考文献 [ 1 ] 王晓明． 电动机的单片机控制[ M] ． 北京 北 京航空航 天大学 出版 社 ， 2 0 0 2 ． E 2 1 张洪润 ， 蓝清华． 单 片机 应用 技 术教 程 [ M] ．北 京 清 华大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 3 ] 李仁定． 电机的微机控制 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 99 9． [ 4 ] 马忠梅， 刘滨， 戚军， 等． 单片机 C语 苦应用程序设 计[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 1 9 9 7 ． F s l 李素冰． 机电一体化手册 下册 [ M1 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． E 6 ] 田泊涛． 控制 电机[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 1 ． 维普资讯