步进电机速度控制的研究与实现.pdf

第 2期 2 0 0 7年 4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 ． 2 Ap r ． 2 0 0 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O O 7 0 2 0 0 8 2 0 4 步进电机速度控制的研究与实现 徐 煜明 常州工学院计算机信息工程学 院， 江苏 常州 2 1 3 0 0 0 摘要 文章介绍了步进电机 的速度控制方案。在分析步进 电机动态特性的基础上， 建立了步进电机速度 变化曲线及算法， 提 出了基于单片机的升降速控制思路， 即用 离散法来逼近理想的速度曲线 ， 并给 出了速度 曲线数 据表 。 关键词 步进 电机 ； 速度控制； 离散法 ； 单片机 中图分类号 T M3 4 3 文献标识码 B 0引言 步进电机是一种能将脉冲信号转换成角位移或 线性位移的执行器件， 广泛应用在数控设备 中。步 进电机的角位移或线性位移与控制脉冲数成正 比， 所以电机的转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲 频率就可以调节电机的转速， 实现 电机的快速启停 或 换 向。 在实际的步进 电机应用 中， 尤其在要求快速响 应的控制系统中， 其关键问题是如何保证步进 电机 在频繁启停 、 频率发生突变的高速运转过程 中不发 生堵转和失步。而堵转 和失步的发生 ， 与步进 电机 的变速特性 ， 即与步进 电机运行速度的变化规律有 关。笔者在研制“ 基于图象识别的 P C B定位孔打孔 系统” 中， 为 了提 高 系统 平均打孔 速度 每孔 小于 0 ． 7 s ， 对系统平台的快速移动进行了研究和探索 ， 发现步进 电机的速度控制曲线不但影响电机运行 的 升降速度， 还影响整个系统的平稳性 、 运行噪声和定 位 精度 。 1 常用升 降速 曲线_的分析及存在的问题 一 般情况下， 系统的极限启动频率较低 ， 而要求 的运行速度又较高， 如果系统 以要求的速度直接启 动， 会因速度 已超过极限启动频率而不能正常启动 ， 发生堵转或根本不能运行的情况。系统运行到终点 时突然停止 ， 则会 因系统的惯性， 出现过 冲现象， 使 收稿 日期 2 0 0 7 0 1 ～O 5 作者简介 徐煜明 1 9 6 2 一 ， 男 ， 硕士 ， 副教 授 ， 现在常州 工学院 计算机信息工程学院从事教学与科研工作 ， 已发表论文 l O篇 ， 主持 科研项 目5项 ， 主编教材 5部。 控制发生偏离 。因此 ， 在控制的过程 中运行速度需 要有一个升速一恒速一降速一停止的过程 。 系统在要求快速响应时 ， 必须要求升降速过程 时间尽量地缩短 ， 使步进电机在不失步条件下， 以最 短的时间升降到给定速度。但步进 电机 的输出力矩 随着它的旋转角速度变化， 在整个升降速过程 中， 步 进 电机的角加速度应该随着转子角速度的变化而变 化 。因此， 选择合理的运行规律曲线 ， 成为步进 电机 速度控制的关键。 速度控制规律一般有 3种选 择， 如 图 1所示。 第一种是按阶梯规律升降速 ， 即步进 电机的转速每 跃 升 1 个 台阶后 恒 速运转 一段 时 间。这种 方法 的缺 点是 在恒 速 阶段 没 有 加速 ， 未 充 分 利 用 步进 电机 的 加速性能 ， 而且在高频段加速台阶高 ， 步进电机在速 度阶越时会发生失步 。第二种是按直线规律升降速 方式 ， 由于这种升速方法的加速度是恒定的， 其缺点 是未充分考虑步进 电机输出力矩随速度变化 的特 性， 步进 电机在高速时会发生失步 。第三种是按指 数规律升降速， 在以微处理器为核心的驱动器 中， 常 用定时常数递减 递加 的方法实现升 降 速 ， 升速 曲线呈上凹型 ， 低频 时升速太慢 ， 而高速时升速太 快 。 丑 匠 图 1 常见 的步进 电机升降速运行 曲线 2 步进 电机 动态特 性分 析 由上述讨论 可知， 图 1所示 的升降速 曲线都不 维普资讯 2 0 0 7年 第 2期 徐 煜 明 步进 电机 速度 控制 的研 究 与 实现 8 3 是理想的运行 曲线。因此 ， 应该在研究步进 电机运 行特性的基础上设计其升降速运行 曲线 。步进电机 的动态特性 ， 可 以通 过其 动力学模型 二 阶微分 方 程 描述 J d d 2 ￡ 0 fl d Q O Tz Td 1 式中 J为系统总转动惯量 ； 0为转子转角 ； p为 阻尼 包括机械阻尼和电磁阻尼 系数； K 为与 成 某种函数关系的比例因子 ； T 为摩擦阻力矩及其 它 与 p无关 的阻力 矩之 和 ； T 为 步进 电机所 产 生 的 电 磁驱 动转矩 。 由式 1 及其它相关因素， 步进电机的实际矩频 特性如图 2中虚线所示 。在驱动脉 冲的频 率较低 时， 步进 电机 的转矩 比较大； 随着频率 的上升 ， 转矩 近似于线性下降。 即 F S 一 A／ E S SB ] f o ／ sB 5 通 过反 变换并 整 理后有 -厂 ￡ 一 A／ B f o A／ B e - ＆ 一 Ar f o A r e - -i - 6 -厂 ￡ 一 f o C 1 一 e 7 式 7 中 C Ar f o ； r 为时间常数 ， r 一1 ／ B。 由式 7 可画 出符 合 步 进 电机 矩频 特性 的升 速 曲线 ， 如图 3所示 ， r 决定升频曲线的快慢 。 由式 1 ， 系统 的惯 性扭矩 J 为 图 3 步进电机的升速曲线 J 一 J d Z O Ta-- d O K O T 2 4 步进电机速度曲线的离散化 式中 J 。 为惯性扭矩 ； e为角加速度 。 显然 ， 惯 性 扭 矩 J 应 小 于 最 大 电磁 扭 矩 T 。 在 升速 阶段 ， 角 加速 度 e 应 尽可 能 大些 ， 以提高 系 统 的快速性 。但为了减小对系统的冲击 ， e不应 突变。 e 从 0到 ．厂 1 是线性增加到最大值 e 的， 然后等加速 度增 速到 ． 厂 2 ， 接 着 e以线 性 递减 ， 在 速 度 达 到 ．厂 m时 e 减到 0 。角加速度 e的变化规律应如 图 2中实线 所示 。 图 2 步进电机的矩频特性 曲线及角加速度变化曲线 3 步进 电机升速 曲线 由于驱动脉 冲的频率与 转子的速度成 正 比关 系 ， 故在 步进 电机不 失步 的前 提下 ， 转 子 的角加 速度 e 应正 比于驱动频率 -厂对时间 t的微分 。对于图 2 中角加速度曲线的每一段直线 ， 其方程都是一次方 程 e一 一 A B厂 3 Q 式中 A和B是 2 个待定的常数。 假定变速是从某频率 厂 。开始 向 厂 1 变化 ， 那么 对 式 3 进 行 拉 氏变 换后 得 到 S F S 一 f o B F S 一A／ s一 0 4 由于步进 电机 的运行 方式是 步进 的 ， 所 以必须 对 式 7 进 行 离 散 化 处 理 ， 即步 进 电 机 驱 动 器 应 当按 式 7 发生一个频率变化规律如图 4所示 的驱动脉冲 序列 。设 t 时刻 时 ， 步 进 电机 控 制 器 发 出第 个 脉 冲 r ￡ r￡ ． ￡ 一l厂 ￡ d t l [ 厂 o c 1 一 ] d J 0 J 0 一 f o C t e - 7 1 8 从式 8 可 以看 出 ， 的 表达 式 是 t的一 个 超 越 方程 。可采用牛顿迭代法求解控制器发出第 个脉 冲 的时刻 f - t t - I t k一 二 9 ．厂 o C C 将 式 9 迭代 若 干次 ， 就 能 求得 足 够精 确 的 ￡ ， 然后将之代入式 7 ， 求 得每一个 n所 对应 的 厂 ， 并由 -厂与 T 的倒数关系求得 T 。 设步进 电机升速起始频率为 -厂 o ， 运行最高频率 为 厂 m 显然 厂 m f o 。经 过 足够 时 间后 用 t 表 示 ， 有 f t 一f m ， 根据 式 7 得 f t f o C 则 Cf m f o ≈f m ， 故式 7 可表示 为 t k -厂 ￡ ≈ f o f m 1 一 e 1 0 图 4 驱 动脉 冲序 列示 意图 性 曲 一 m 特 率 ．，．1 、 c 率 频 ． 顿 ． 一 矩 速 ．、 ＼ 一 扭 加． 一 一 维普资讯 8 4 工矿 自动 化 2 0 0 7年 4月 当 一 2 ～3 r 时 ， ， ≈厂 。 设步 进 电机 升 频 时 钟 脉 冲序 列 为 N， 根 据 式 1 0 ， 可导出第 个脉冲频率的简化表达式 厂 ≈ f o f 1 一 e i 1 1 式中 g表示通过脉 冲序列 N 后频率上升 的快 慢 。 5 用单 片机实现 步进 电机 的速度 控制 采用 8 9 C 2 0 5 1单片机对步进 电机进行升降速 控制 ， 实际上就是改变输 出时钟脉冲的时间间隔， 升 速时使脉冲串逐渐加密， 减速时逐渐稀疏 。用单片 机定时中断方式控制 I ／ O 口输 出电平 ， 2次中断产 生 1 个周期脉冲 丁 ， 实质上就是不断改变定时器 装载值的大小 ， 用离散办法来逼近理想的速度曲线 。 设单片机的晶体振荡频率 为 F， 根 据式 1 1 ， 可得 ．厂 转化为定时器装载常数 K 的表达式 F K 一 6 5 5 3 6 一 丽 1 2 在步进 电机高速运行时 ， 由于 2个相邻的驱动 脉冲间隔时间很 短， 来不及完成上述迭代运算 。因 此 ， 设计时把 各离散点 速度 所需 的定 时器装 载值 K 固化在 R OM 中， 即事先计算出与脉冲序列 时 间 T 对应 的 K ， 建立 1张数据表 ， 存于 R OM 中， 系统运行时用查表法查 出所需 的装 载值 ， 减少 C P U i 主算 的时间 ， 提高系统的响应 速度。 用查表法 实现这一过程 ， 只要用户给定的步进 电机的最高运 行频率 ．厂 m不超过步进电机的最大运行频率 ， m ， 步 进电机便可从当前运行频率沿着图 3所示的曲线升 速运 行 至指定 频率 。 至于降速曲线 ， 在步进 电机降速的初始阶段 ， 如 果其运行频率很高， 则其输 出转矩很小 。因此在这 一 阶段 ， 步进 电机的角加速度 绝对值 应当小； 随着 运行频率的下降， 其输 出转矩增加， 相应的速度随时 间的变化率也应增加。因此 ， 步进电机的降速曲线 应该对称于其升速曲线 ， 其降速曲线是升速曲线的 镜像。因此 ， 二者可共用同一张数据表。即对于降 速 过程 ， 须逆 向查 表 。 笔者在研制 P C B定位孔打孔系统中， 选用金坛 四海 电机 厂 生 产 的 S H2 O 2 4 B 2步 进 电机 驱 动 器 及 5 7 B YG 0 2 7四相永 磁 感应 子 式步 进 电 动机 ， 采 用 8细 分 ， 0 ．2 2 5 。 步 距 角 。 取 f o一 3 0 Hz ， ， m一 1 0 0 0 0 Hz ， N一1 2 0 ， g 一5 O ， 单片机系统晶体振荡频 率为1 2 MHz ， 根据式 1 1 和 1 2 ， 通过 编程获得 K 数据 ， 如表 1所示。实际使用表 明 步进电机 能在短时间内实现升降速， 运行平稳 ， 声音柔和， 定 位正确 ， 实现 了整机冲孔速度 每孔为 0 ． 6 s 的指标 ， 保证 了冲孔误 差 小 于 0 ． 0 1 5 mm， 较 好 地满 足 了 P C B定位孔打孔的要求。 表 1 定时器装载常数表 6 结 语 步进 电机的升降速与电机的参数 、 系统负载和 具体要求有直接关系， 在建立 步进电机速度 曲线时 还应考虑电机运行 的总步数 、 升速过程、 恒速运行 、 降速运行的步数。对升 、 降速过程的控制需通过实 验 ， 根据实际系统不断调整， 才能找出最佳 的方案。 参 考 文 献 [ 1 ] 范正翘． 单 片机 控 制 两 台步 进 电动 机 的设 计 与实 现 [ J ] ． 武汉化工学院学报 ， 1 9 9 9 4 ． 维普资讯 第 2期 2 0 0 7年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o mat i o n No ． 2 Ap r ． 2 0 0 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 2 0 0 8 5 0 3 风力分级系统监控软件的设计与实现 程 晓峰 ， 何 京敏 ， 李海 生 中国矿业大学化工学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 文章以接 口选择 、 软件结构和通信 实现为 出发点， 介 绍了煤炭风力分级 系统中监控软件的设计与 实现过程。变频器是该 系统 中的主要部件 ， 可以利用 V B本身的通信控件 MS C o mm开发的通信软件建立变 频器与计算机之间的 串行通信 ， 通过计算机的可视化监控软件调节变频器的相关参数， 最终实现计算机对风 力分级 系统 中风速 的调控 。该 控制 系统 是 一种 简单 、 实用 的监控 系统 。 关键 词 煤矿 ；风 力分级 ； 监 控 软件 ；变频 器 ；串行 通信 中 图分 类 号 T D 6 7 9 ； T N 7 7 文献 标识 码 B 0 引言 变频器是一种重要 的工业拖动设备， 主要用 于 控制交流电动机的转速 和转动方向， 广泛地应用 于 矿业工程 ， 如风力分级系统 中。变频器的参数可 以 通过其面板手 动设 定， 但这种 方法操作较 为繁琐。 还可以通过外部控制器设定变频器 的参数 ， 其有两 种 常用 的方 法 一 是 P L C人 机 界 面 ； 二 是 连 接 计 算机。通过监控软件监控变频器 ， 监控软件为用户 提供一个方便直接的操作环境 ， 并且 可以实现远程 控制， 使整个系统智能化 、 自动化。 对于点数较少、 规模较小的控制系统 ， 利用 自主 编写的监控软件监控变频器 的参数更为适合 ， 不仅 经 济上合 理 ， 而且 自主开 发 的软件针 对性 强 ， 更 利 于 系统安全、 稳定的运行 。 本 文就 以三 垦 v m0 5系列 变频 器 在风 力 分 级 系 统中的应用为例 ， 介绍计算机与变频器之间通信及 监控 软件开 发 的方 法 。 1风 力分级 系统 风力分级应用于煤炭粒度分级 中， 实验用 的风 力分级系统主要包括分级装置、 旋风分离、 风机、 电 收稿 日期 2 0 0 6 一l 2 2 5 作者简介 程 晓峰 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河北石家 庄人 ， 现 主要从 事过 程装备与控 制工程方面的研究工作 。 [ 2 ] 刘亚 东 ， 李从 心 ， 王小 新．步进 电机速 度 的精 确控 制 E J ] ．上海交通大学学报 ， 2 0 0 1 1 O ． [ 3 ] 孙盛杰 ， 杜育宽．利用单 片机 控制 步进 电机 提高 精度 动机 、 变频器 、 计算机 、 风速变送器等 ， 系统结 构如 图 l 所示 j 。 电动机带动风机 向分级装置鼓气 ， 原煤在分级 装置和旋风分离器中按粒度不 同分为 3个等级 。管 路上装有测量风速的变送器 ， 变频器用来控制 电动 机 的启停和转速 。风速变送器和变频器均通过串行 通信与计算机相连。监控软件根据实时采集的风速 和分选粒度数据通过变频器调节电动机转速进而控 制风速 ， 同时监控软件在线监测整个系统运行 的状 况 。 图 1 风力分级系统结构图 2通 信接 口选 择及 发送 控制 时序 三垦变频器 串行通信采用 R S 4 8 5通信 接 口实 现。RS 4 8 5采用平衡 发送 和差分接收， 具有 抑制共 模干扰的能力 ； 加上其具 有高灵敏度 ， 能检测低至 2 0 0 mV 的电压 ， 故传输信号能在千米 以外得 到恢 复 ， 通 信 距 离 可 达 到 几 十 米 甚 至 上 千 米 ； 此 外 ， RS 4 8 5用于多点互连时非常方便 ， 可 以省掉许 多信 号线； 应用 RS 4 8 5可以联 网构成 分布式 系统， 最多 可 并联 3 2台变频 器 。 的研 究E J ] ．信息技术 ， 2 0 0 2 1 O ． [ 4 ] 祝华 远 ， 马乃苍．某新 型数 控机 床步进 电机 控制 速度 曲线 的实现E J ] ．机床与液压 ， 2 0 0 3 3 ． 维普资讯