單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)調(diào)速方法

1、1999年第1期電子與自動化#單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)調(diào)速方法孫侃（廣東中山大松通用機(jī)電有限公司技術(shù)開發(fā)部，528437）摘要介紹了步進(jìn)電機(jī)速度自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)的機(jī)理，步進(jìn)電機(jī)分段變速控制中頻率運(yùn)行代碼、與頻率運(yùn)行代碼相對應(yīng)的最高運(yùn)行頻率、最小運(yùn)行步長三者的對應(yīng)關(guān)系，最后介紹了程序設(shè)計方法。這種由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)調(diào)速方法已得到實(shí)際應(yīng)用，取得了較滿意的結(jié)果。關(guān)鍵詞步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)自適應(yīng)調(diào)速變頻信號源1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動

2、化#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化35步進(jìn)電機(jī)的變速控制 一一自動加/減速 控制,是步進(jìn)電機(jī)的基本變速方式，常用于位置控制場合。在這種場合，要求步進(jìn)電機(jī)對 運(yùn)動對象進(jìn)行步長長度不等的實(shí)時位置控 制,通常步長的變化范圍還很大，如何利用這 個基本變速方式進(jìn)行有效的不失步控制，以滿足控制的“快而不失步”的實(shí)際需要，是步 進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的中心問題 。對步長較大的 定位控制，可以使步進(jìn)電機(jī)總是以等高 、等腰 梯形的升降頻曲線軌跡來運(yùn)行，梯形曲

3、線的高度就是步進(jìn)電機(jī)恒頻段的最高運(yùn)行頻率 ， 它與步長無關(guān)；而當(dāng)步長較小時，這個恒頻段 最高運(yùn)行頻率與步長大小是否也沒有關(guān)系 呢？本文就這個問題，對步進(jìn)電機(jī)在步長較 大和較小的位置控制中，如何實(shí)現(xiàn)位置的速度自適應(yīng)控制進(jìn)行討論。11步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 1所示。變頻信 號源是一個脈沖頻率由幾赫到幾千赫可連續(xù) 變化的信號發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈 沖序列。脈沖分配器則根據(jù)方向控制信號把 脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加到脈沖驅(qū)動放 大器上進(jìn)行放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動C因此變頻信號源產(chǎn)生的脈沖序列是步進(jìn)電機(jī) 控制的基礎(chǔ)。本文要闡述的就是由單片機(jī)系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的變頻信號源產(chǎn)生的脈沖序列如何滿

4、 足步進(jìn)電機(jī)速度自適應(yīng)控制的思路和方法。圖1步進(jìn)電機(jī)控制圖'A jl_ 21步進(jìn)電機(jī)速度自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)的 機(jī)理我們知道步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可用下式表示（以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、負(fù)載不變的情形為例）:n =60f （r/mi n）ZN式中f為控制脈沖的頻率，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N 為運(yùn)行拍數(shù)。由上式可見步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速取決 于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù) 。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù) 一定時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與輸入脈沖頻率成正 比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源 電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化，僅與脈沖頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步 數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會 積累，且改變脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，故可 進(jìn)行

5、調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。在實(shí)際的步進(jìn)電 機(jī)位置控制中，也不可避免地遇到調(diào)速問題o為了使步進(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)電機(jī)響應(yīng)頻率fs，在該頻率下，步進(jìn)電機(jī)可以任意起動、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn) 象，并且在控制中常采用如圖2所示的梯形圖式的升降頻變速控制方式，即先低速啟動，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止。因此在 步進(jìn)電機(jī)的位置控制中，存在著兩類不同的情形,一類是：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)要行走的步長較長 時,由于行走的距離長，可以讓其運(yùn)行在很高 的頻率上，甚至可以運(yùn)行在最高響應(yīng)頻率fs處，在梯形圖上表現(xiàn)為以 f s為高度的梯形曲 線，也就是在大距離的位置控制時，步進(jìn)

6、電機(jī) 可以而且最好是運(yùn)行于最高響應(yīng)頻率f s處，并不受步長的制約。另一類情形就不同了，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步長小到某一步長Ls后，由于走過的距離短，如果仍然以不變的最 高響應(yīng)頻率運(yùn)行，顯然步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中就 會失步，這是不能允許的，必須加以避免，折 衷的辦法只能是讓步進(jìn)電機(jī)降低頻率運(yùn)行，這個頻率本文且記為fsi。毫無疑問，這個fsi是隨著步長的不同而不同的，并且fsi正比于步長，步長大時，fsi就大，步長小時fsi就小。 因此在步長變得較小后，在步進(jìn)電機(jī)的梯形 曲線圖上必然存在著一個個高度不等的升降 頻曲線。如果根據(jù)實(shí)際的控制需要，按照步長分段選擇一些必要的升降頻率曲線 ，控制 時隨著不同的行走步

7、長自動地選擇合適的曲 線來運(yùn)行，便可解決快速而不失步的矛盾了。因此，由這些高度不等的升降頻曲線，我們自然就引出了 “步進(jìn)電機(jī)分段變速控制”的方法。為了很好地說明這種方法，還須引進(jìn)“最小步長”和“頻率運(yùn)行代碼”的概念。最小步長一在步長較小時，若選定某 一最高運(yùn)行頻率fsi，在這個fsi下步進(jìn)電機(jī)不 失步所能行走的最小距離（步長）。頻率運(yùn)行代碼一選定某-fsi，對應(yīng)于 這個最高運(yùn)行頻率，步進(jìn)電機(jī)在升頻或降頻 時所能行走的升頻或降頻的步長，即圖3中的L 1和L 3。有了這些概念我們就可以說明 步進(jìn)電機(jī)分段變速控制了。31步進(jìn)電機(jī)分段變速控制設(shè)某一臺步進(jìn)電機(jī) （型號：110BYG201） 最高起跳頻率

8、為1000Hz，最高運(yùn)行頻率為10000Hz，從起跳頻率開始若每隔厶f =1000 Hz分一個速度段，則可分成10個速度 段進(jìn)行控制，各段就有一個相對應(yīng)的最小步 長，根據(jù)這個最小步長確定出相應(yīng)的且能反 映升頻過程的頻率運(yùn)行代碼。進(jìn)行分段變速 控制的頻率運(yùn)行代碼及與頻率運(yùn)行代碼相對 應(yīng)的最高運(yùn)行頻率 fsi、最小運(yùn)行步長如表1所示。圖2分段變速控制圖表1 速段代碼表速段0123456789頻率運(yùn)行 代碼08162734435260757D7F頻率fsi(Hz)10002000：3000-00050006000700080009')001()0000最小運(yùn)行 步長（脈沖數(shù)）11037466

9、0924121C154418522310：!4882574表1中，每一個速段都隱含有一個對應(yīng) 于最小步長的升降頻運(yùn)行曲線，實(shí)際上已建立了一個分段變速控制的模型。若已知步進(jìn) 電機(jī)的運(yùn)行步長，如何根據(jù)上表的最小步長 值，確定步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)行在哪一個速段下的 升降頻曲線呢？很顯然，已知運(yùn)行步長，可查 這張表迅速決定要運(yùn)行的速段。例如，已知運(yùn)行步長為1000，查表立即可知，步進(jìn)電機(jī) 若不失步，運(yùn)行在最小步長為924的速段是最合適的；如果選擇最小步長為 660的速段 雖然步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行不會失步，但運(yùn)行速度卻偏低；如果選擇最小步長為1210的較高速段，因該速段要求至少運(yùn)行1210步長才不至失步，顯然，運(yùn)行僅僅

10、1000的步長卻選擇高 一檔的速段，步進(jìn)電機(jī)就會失步。因此設(shè)計 時，首先根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性確定出表1，然后就可進(jìn)行程序的設(shè)計了41程序設(shè)計在設(shè)計中頻率運(yùn)行代碼值取代表升頻過 程的步長L1,也是程序中頻率階梯計數(shù)器中 的階梯計數(shù)值，見圖3。為簡化程序設(shè)計，通 常設(shè)定降頻過程的步長L3 = L1；因此各段的恒頻段的步長，也就是步進(jìn)電機(jī)各段恒頻 運(yùn)行于最高運(yùn)行頻率fsi（i = 1 ,2 ,E。E表示全過程分為E段）處的步長：L2 = Lsi（總步長）-L1 - L 3 = L Si - 2L 1圖3步進(jìn)電機(jī)變速控制過程假定在每個階梯步長，步進(jìn)電機(jī)以恒頻 率行走入步，因升頻過程共有 “頻率運(yùn)行代

11、 碼”個階梯步長，則升頻過程共走 “入X頻率 運(yùn)行代碼”步,在降頻過程中步進(jìn)電機(jī)亦走 “入X頻率運(yùn)行代碼”，因此恒頻段的步長為：L2 = L - 2L1 = L - 2入X頻率運(yùn)行代碼這樣利用實(shí)際須運(yùn)行的步長求出相關(guān)的 最小步長這個參數(shù)，再根據(jù)這個最小步長就 可找出相應(yīng)的頻率運(yùn)行代碼，就完全可以使步進(jìn)電機(jī)在程序的控制下根據(jù)實(shí)際要求的運(yùn) 行步長自動選擇合適的升降頻曲線（通過查另一張運(yùn)轉(zhuǎn)代碼表）來運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī) 在定位控制全過程中的速度自適應(yīng)控制。到此,我們也可以看出，步進(jìn)電機(jī)是一種輸出與 輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件，當(dāng)它用于位置控制時，完全可以做到不要速度環(huán)也 不要位置環(huán)的開環(huán)控制，前

12、提是須先合理分 配好各分段變速控制的升降頻曲線，以確保 運(yùn)行過程中不失步。這樣大大簡化了控制系 統(tǒng)的規(guī)模和硬件的復(fù)雜性，便于廣泛應(yīng)用。講it薦志也- I Y«畏口足刊RfCPU升降頻過程采用單片機(jī)定時器 T。延時, 以圖3的直線升降（頻）方式設(shè)計程序。程序 的流程詳見圖4的主程序框圖、圖5的To中 斷服務(wù)子程序框圖。tCPU奔口晡-關(guān)沖商設(shè)賈足時Hi T,-圖4 主程序框圖幔足護(hù)場K T”定rj利aI. n.茁帥陽星戔玄個，妹神箱岀匸； 嚴(yán)主廠的m蜚NP肚沖晞岀口 嚴(yán)生亠廠的啟啞I為 0?圖5 To中斷子程序框圖1994-2010 China Academic Journal Ele

13、ctronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化#交流變頻器在漿紗生產(chǎn)線上的應(yīng)用區(qū)家賢（粵江織造實(shí)業(yè)有限公司，廣東南海市九江鎮(zhèn)，528203）,采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造，取得了摘要針對紡織漿紗生產(chǎn)線中傳統(tǒng)拖動方式的缺點(diǎn)良好效果。介紹了變頻器的選用及主電路與控制電路的構(gòu)成關(guān)鍵詞變頻調(diào)速漿紗行程開關(guān)滑差電動機(jī)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化#1994-2010 Ch

14、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化#11概述在紡織漿紗生產(chǎn)線中,白經(jīng)軸架盤內(nèi)一般放置有816個白經(jīng)軸,其本身不存在傳 動裝置，而是由中機(jī)即 30kW滑差電動機(jī)拖 動白經(jīng)軸上的經(jīng)紗線來傳動。白經(jīng)軸軸端轉(zhuǎn)動機(jī)械部分不是通過軸承而是通過行軸套拖 動,這樣的拖動方式不可避免地帶來很多缺 點(diǎn)：由于中機(jī)電動機(jī)拖動負(fù)載大，電動機(jī)溫升高，噪音大。經(jīng)軸架與中機(jī)間經(jīng)紗線的 張力難于控制，造成張力不均勻。在上下 兩層經(jīng)紗架上轉(zhuǎn)換接縛紗線時要關(guān)掉中機(jī)電 動機(jī)，造成色紗等損失，降低等級

15、的情況隨時 會發(fā)生，嚴(yán)重地影響染紗質(zhì)量。為此我們在 白經(jīng)軸架與中機(jī)之間安裝一個經(jīng)軸貯紗架，而白經(jīng)軸的拖動改用一臺212kW、40r/ min的三相電動機(jī)經(jīng)由高效節(jié)能的變頻器控制。通過這樣的改造，很好地解決了上述幾種弊 病，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。21變頻器的選用經(jīng)軸拖動電動機(jī)的數(shù)據(jù)為：P = 2. 2kW，n = 940r/ min，I = 5. 69. 6A，/ Y 接法。為此，變頻調(diào)速器選用臺達(dá)公司產(chǎn)品，其型號為 VFD37A43A ,適用 功率為 317kW，對于 212kW電動機(jī)應(yīng)有一定余量。該型變頻器由于采用IGBT功率器件，電壓波動適應(yīng)性 強(qiáng)（比功率器件 GTR要好得多），而且整

16、臺 變頻器為全密封結(jié)構(gòu)，適合于紗塵和腐蝕性 較大的漿染生產(chǎn)線,另外整機(jī)價格不算貴，比 日本機(jī)便宜。這是我們樂于使用它的原因。31變頻調(diào)速柜內(nèi)主電路和控制電路變頻調(diào)速柜由變頻器、 三相空氣漏電開 關(guān)KG、繼電器、開關(guān)、指示燈、電位器等組 成，主電路如圖1 所示。為便于操作，我們將控制電路設(shè)計成自 動和手動兩種控制方式 。具體控制電路如圖 2所示,其中XK1、XK2、XK 3行程開關(guān)采用 L X252511棒狀行程開關(guān),AN 2為旋鈕開關(guān)。手動操作時,AN 2的1、5旋合丄5手動 操作指示燈亮。此時由AN 2的1、斷開自 動操作方式。當(dāng)升降貯紗架平臺降低到使 XK1動作，則繼電器J1動作，其觸點(diǎn)斷

17、開變頻 調(diào)速器的調(diào)速電位器給定電源和前向指令，電1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化371994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化#51結(jié)束語本文敘述的方法在我公司產(chǎn)品包裝機(jī)的“步進(jìn)電機(jī)用于物料小劑量計量控制”的項(xiàng)目 中得到了很好的實(shí)際應(yīng)用，取得了較滿意的結(jié)果。主要參考文獻(xiàn)1陳隆昌，陳莜艷

18、1控制電機(jī)1西安電子科技大學(xué)出版 社,1994（收稿日期:1998 208212）1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1999年第1期電子與自動化#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 56電子與自動化1999年第1期1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

19、All rights reserved. 56電子與自動化1999年第1期Abstracts of Some Articles in This IssueApplication of S2C MC2based Argon Flow Control System injnimaCaEIPtU TthCElectric Medical Operator/ Xu Huaqing, Zhang Pei mi n/ Elect ronics & A utomation.zainmagaptu Tihpapescthbealizathen imagaptuandldedit ofhenonitsy

20、 ntem basPCuPCIupecificfltnophegitai HifhequArgfynWeciperatomporviddecoanheevelapimeoftwBeBjdes taapplicatrandce?aaoheonaodd pacjfeoup<cegcbimEWpVC44zisgiven. justmeenArgfknWltheetechnoiogyticle Keywords: Pdumonitoyingmagpturing in trodtueenciptBuctufelaeJdcSrfcuitvideditjidigVaieecodiny othjArgo

21、pwonjErysemndbenyiro if eng WhicaadjusconthATgooWrecst+ly 02Lminsapracticatem.Keywords :eleypraAcgjoowflowonteomicrocomputerRea2time Metering of Coal Consumption in Thermal Plant/Xu Qi ogli n, Du Youf u/ / Elect ronics & Automatioo. 2- ，- _28(1.21315 一 一一.rasapa：PPhySrtfescab2bS2upcoyisoflPkegu

22、andr e irc.es feat u sh tip】 an d flgqlUawycharacenasAdsesegnaTspe gvwnTOuponi%oaoupuon rCabvoeauMmTTHi LvMKl 1vjjpj|T|SiSiEUf警 ricity eJuoitoirelectricity aofDaqongps ttasiyo；idDe*cabOfX u Qi ngli n , Du Youf u/ / Elect ronics & A utomation. 21999 cOOiemonteoinnd28( ) . 21315一一 5丁Toolthemetqrro

23、goheoao n surinptgiy wiitmaO ut ththenplantcalcuimoosglivenhiarticldSOVyoltaegeul八wi1alexplandSionesrrdwladoftwasigrD%andPpilimuHt84dB. Byasitfigsiodbeoab nsumpaoh naceKeywords : LDCtabi Voedgupc1 beneasuncurandeaasquianoabasec onn ePtedu lappdealVsis systeirategtooedimeteandionitoystem foeaCtiivfualaceSysthabeappiiledtr。l sev® rafeat