步進(jìn)電機(jī)的速度控制專題

1、步進(jìn)電機(jī)速度控制專題姓名:學(xué)號(hào)：班級(jí)：09級(jí)機(jī)械一班步進(jìn)電機(jī)的速度控制步進(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(kāi)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

2、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

3、確定位時(shí)，一般來(lái) 說(shuō)都應(yīng)包括“啟動(dòng)一加速一高速運(yùn)行（勻速）一減速一停止”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示。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(guò)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(guò)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(guò)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)。

4、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)。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(kāi)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，周期為T1=1/f1=D1/f

5、0，D1=f0T1=f0/f1o 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(jiàn)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(guò)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(kāi)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

6、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(kāi)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(guò)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。

7、令/f0=O，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)6 /2(4)1/fn=T1-(n-1) 6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(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行十分有利，因?yàn)閱?dòng)時(shí)，加速度平緩，一旦步進(jìn)電機(jī)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(guò)渡，有利于提高機(jī)器的定位 精度，另一方面可以縮短加速過(guò)程，提高快速性能。其中，A=-6 ,B=（2T1-6 ）2,C=86 , T1為減速開(kāi)始時(shí)脈沖周期，6為減速階 段相鄰兩個(gè)脈沖周期的增量。由于T16，則B=4T12，由（8）、（9）式可以 看出，脈沖頻率在減

8、速階段不斷下降，且加速度為負(fù)，絕對(duì)值以二次函數(shù)減小。 這種減速性能對(duì)步進(jìn)電機(jī)同樣有利，它使步進(jìn)電機(jī)在減速時(shí)能夠平穩(wěn)地停止而沒(méi) 有沖擊，提高了機(jī)器的定位精度。該方法已經(jīng)成功的應(yīng)用于智能運(yùn)動(dòng)控制單元，通過(guò)開(kāi)發(fā)Windows環(huán)境下的控 制軟件，利用VC+設(shè)計(jì)良好的控制接口界面，方便地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)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(jī)被占 用時(shí)間，以便于在電機(jī)運(yùn)行的同時(shí)去完成別的工作，從而實(shí)現(xiàn)了三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的 加減速和速度及位置控制。并且利用了細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源，提高了步進(jìn)精度和定位精 度?；赟PMC75F2413A單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)加減 速控制步進(jìn)電機(jī)（脈沖電動(dòng)機(jī)

9、）是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)字控 制的一種執(zhí)行元件，其可以通過(guò)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)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此 具有瞬間啟動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。步進(jìn)電機(jī)在各種應(yīng)用場(chǎng)合下最大的優(yōu)勢(shì) 是：可以開(kāi)環(huán)方式控制而無(wú)需反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制，但也正是因?yàn)樨?fù) 載位置對(duì)控制電路沒(méi)有反饋，步進(jìn)電機(jī)就必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁 頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠移到新的位置，那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期 待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過(guò)沖現(xiàn)象。因此步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系 統(tǒng)中，如何防止失步和過(guò)沖是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)

10、行的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)使用SPMC75F2413A作為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器。SPMC75F2413A是 M,nSPTM系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制 器。本設(shè)計(jì)中由SPMC75F2413產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路使用由Allergo公司生 產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器SLA7042M構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。1步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理S曲線加減速將傳統(tǒng)的3段加減速過(guò)程變?yōu)?段加減速過(guò)程，形成S字形，如圖1所示。加速段由加加速度段(T1)、勻加速度段(T2)、減加速度段(T3)組成； 減速段由加減速度段(T5)、勻減速度段(T6)、減減速度段(T7)

11、組成；而勻速段為(T4)。時(shí)間1圖1 S曲線加減速過(guò)程在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，給一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前 進(jìn)一步，如輸人為脈沖數(shù)N，在規(guī)定的時(shí)間T內(nèi)，其頻率即為f。驅(qū)動(dòng)脈沖的頻 率f隨時(shí)間t有：式中，fm為步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)頻率，t是決定升速快慢的時(shí)間常數(shù)，實(shí)際工 作中可由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，已知系統(tǒng)達(dá)到勻速時(shí)的速度和系統(tǒng)達(dá)到最大速度所用的時(shí) 間。本系統(tǒng)使用單片機(jī)定時(shí)中斷方式控制步進(jìn)電機(jī)的速度，在升降速控制時(shí)，實(shí) 際上是不斷改變定時(shí)器的裝載值的大小。將升速過(guò)程離散處理，在設(shè)計(jì)中將加速時(shí)間固定為T=T1+T2+T3，為使說(shuō)明方 便，令T2=0。這時(shí)加速段由3個(gè)變?yōu)?個(gè)，即加加速段與減加

12、速段。將T等分 為40個(gè)時(shí)間相同的時(shí)間段，即將加加速時(shí)間T1分為20等分，將加減速時(shí)間 T3分為20等分。則兩次速度變化的間隔時(shí)間為At=T / 40，則每一檔的頻率可 由式(1)計(jì)算得出，在每一檔頻率下步進(jìn)電機(jī)所執(zhí)行的步數(shù)也可通過(guò)計(jì)算得出。2系統(tǒng)硬件圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。單虹&J血*如忑.曲散*uSPMC75F2413A SLA7O42M.二:午 Jmi 響堆山l I. II IIllJm-RvjV，無(wú)電傳心房Cjjf 0圖2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖圖2中，單片機(jī)是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在4.5-5- 5工作電壓范圍內(nèi) 的工作速度為0-24 MHz，擁有2 K字SRAM和32 K字閃存

13、ROM；IOAIOD4 組64位可編程I/O端口，5個(gè)通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。該系統(tǒng)采用 S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0IOB3位作為控制信號(hào)的輸出端口，IOB4 位作為光電傳感器的輸入端口。步進(jìn)電機(jī)易于與數(shù)字電路接口，但一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng) 電機(jī)。因此，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)給電機(jī) 繞組提供特定的激磁電流，告訴電機(jī)需要運(yùn)行多少微步。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在整步模 式時(shí)，因?yàn)閯偤门c電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)相吻合。此時(shí)定轉(zhuǎn)子齒正好完全對(duì)齊，且 繞組中流過(guò)的電流最大，步距角也最大。隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，步矩角相應(yīng)減小。該系統(tǒng)采用Allergo公司生產(chǎn)的

14、驅(qū)動(dòng)器SLA7042M，其本質(zhì)上是利用數(shù)字量 輸入控制輸出電流，其內(nèi)部的2個(gè)4 bit的移位寄存器分別接收由SerialData引 腳輸入的電機(jī)相位信息和激磁電流比例數(shù)據(jù)。該4 bit的移位寄存器的第l位先載入相位信息，接著依次串行載入激磁電流比例數(shù)據(jù)的最低位，次低位，最后載 入最高位。驅(qū)動(dòng)部分電路如圖3所示。SLA7O42M11步進(jìn) 電機(jī)J3NL SPLY5眼 SPLYGR。卵。AGR01/ND 8SENSE BOUT BMT 3orr hASTM 邸旺F/百頑衛(wèi) 禎F7芒源SENSECLOCKCl.OCKSERIAL DATASERIAL 泓TA1617r/.LZ32, 2k4?Qk_圖3

15、驅(qū)動(dòng)部分電路3系統(tǒng)軟件通過(guò)式（i）可計(jì)算出每個(gè)頻率檔的頻率以及在該檔內(nèi)步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)，將 這40個(gè)檔的頻率以及各個(gè)檔內(nèi)所走的步數(shù)分別存入2個(gè)數(shù)組變量。該系統(tǒng)軟件 程序首先判斷步進(jìn)電機(jī)是否能達(dá)到最大速度。當(dāng)規(guī)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)少時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)不能達(dá)到最大速度，速度就要開(kāi)始下降。這時(shí)首先應(yīng)求出升速所能達(dá)到 的步數(shù)和頻率，及降速所能達(dá)到的步數(shù)和頻率。而減速過(guò)程和加速過(guò)程正好相反， 即就是將2個(gè)數(shù)組中存入的數(shù)據(jù)，按相反順序輸出。圖4為步進(jìn)電機(jī)S曲線加 減速軟件流程。,冏】繳髓率在笫級(jí)頻剖將頻素及步數(shù)介別 存入.2卒裁組心2圖4步進(jìn)電機(jī)S曲線加減速軟件流程使用凌陽(yáng)SPMC75F2413A單片機(jī)，采

16、用S曲線增減速的方法有效控制了步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程中容易產(chǎn)生的失步及過(guò)沖現(xiàn)象。該控制方法有效、實(shí)用，已在數(shù)控切削系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，結(jié)果穩(wěn)定可行。計(jì)算出可以汶.翌 的煩率吸減速及卷（.與如 唾相反）N2小2十1書(shū)i.足寸N.E1+JLK2P+1步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)問(wèn)題及解決辦法一問(wèn)：步進(jìn)電機(jī)的噪聲特別大，沒(méi)有力，并且電機(jī)振動(dòng)，怎么辦？ 遇到這種情況是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)工作在振蕩區(qū)，解決辦法：改變輸入信號(hào)頻率CP來(lái)避開(kāi)振蕩區(qū)。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，使步距角減少，運(yùn)行平滑些。二問(wèn)：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)通電后，電機(jī)軸不轉(zhuǎn)怎么辦？有以下幾種原因會(huì)造成電機(jī)不轉(zhuǎn)：1.過(guò)載堵轉(zhuǎn)2.電機(jī)是否已損壞 電機(jī)是否處于脫機(jī)狀態(tài)4.脈沖信號(hào)CP是否

17、到零三問(wèn)：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通電后，電機(jī)在抖動(dòng)，不能運(yùn)轉(zhuǎn)，怎么辦？遇到這種情況，首先檢查電機(jī)的繞組與驅(qū)動(dòng)器連接又沒(méi)有接錯(cuò)，如沒(méi)有接錯(cuò)，再 檢查輸入脈沖信號(hào)頻率是否太高，是否升降頻設(shè)計(jì)不合理。若以上原因都不是， 可能是驅(qū)動(dòng)器缺相，請(qǐng)速與我公司聯(lián)系。四問(wèn)：如何做好步進(jìn)電機(jī)的升降曲線？步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨輸入脈沖信號(hào)的變化而變化的。從理論上說(shuō)，只要給驅(qū)動(dòng)器 脈沖信號(hào)即可。每給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖（CP），步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角（細(xì)分 時(shí)為一個(gè)細(xì)分步距角）。但是，由于步進(jìn)電機(jī)性能關(guān)系，CP信號(hào)變化太快，步進(jìn) 電機(jī)將跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象。所以步進(jìn)電機(jī)要在高 速時(shí)，必須有升速過(guò)程，在停止時(shí)必

18、須有降速過(guò)程。一般升速與降速規(guī)律相同， 以下以升速為例介紹：升速過(guò)程由起跳頻率加升速曲線組成（降速過(guò)程反之）。起跳頻率不能太大，否 則也會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步。升降速曲線一般是為指數(shù)曲線或經(jīng)過(guò)修調(diào)的指數(shù)曲線， 當(dāng)然也可采用直線或正弦曲線等。用戶需根據(jù)自己的負(fù)載選擇合適的響應(yīng)頻和升 降速曲線，找到一條理想的曲線并不容易，一般需要多次試機(jī)才行。指數(shù)曲線在 實(shí)際軟件編程過(guò)程中比較麻煩，一般事先算好時(shí)間常數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器呢， 工作過(guò)程中直接選取。五問(wèn)：步進(jìn)電機(jī)發(fā)燙，正常溫度范圍是多少？步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至失步。因此 電機(jī)外表允許最高溫應(yīng)取決于不同磁性材料的退磁點(diǎn)。一般來(lái)講，磁性材料的退 磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至還高。所以步進(jìn)電機(jī)外表在攝氏80-90度完 全正常。六問(wèn)：兩相步進(jìn)電機(jī)和四相步進(jìn)電機(jī)有何不同？?jī)上嗖竭M(jìn)電機(jī)在定子上只有兩個(gè)繞組，有四根出線，整步為1.8，半步為0.9 。 在驅(qū)動(dòng)器中，只要對(duì)兩相繞組電流通斷和電流方向進(jìn)行控制就可以了。而四相步 進(jìn)電機(jī)在定子上有四個(gè)繞組，有八根出線，整步為0.9，半步為0.45，不過(guò) 驅(qū)動(dòng)器中需要對(duì)四個(gè)繞組進(jìn)行控制，電路相對(duì)復(fù)雜了。所以兩相電機(jī)配兩相驅(qū)動(dòng) 器，四相八線電機(jī)有并聯(lián)、串聯(lián)、單極型三種接法。并聯(lián)接法：四相繞組兩兩相 并，繞組的電阻與電感