步进电机运动规律及速度控制方法

机电传动控制是机电一体化人才所需要知识,由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体,所以我 么能从中了解到机电传动控制的一般知识,要掌握电机、电器、晶闸管等工作原 理、特性、应用和选用的方法。了解最新控制技术在机械设备中的应用。在现代 工业中,机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机,而且还包括控制电动机的一 整套控制,以满足生产过程自动化的要求。也就是说,现代机电传动是和各种控 制元件组成的自动控制系统联系在一起。机电系统一般可分为图一所示的三个部 分。

图 1 机电传动控制

在没上这门课之前,在我自己认为,电机就是那些就是高中学的那些直流电动机,就是通电线圈在磁场转动。那是直流电动机了,慢慢的我接触了交流电动机, 刚开始知道 220V 市电。记得大一下学期,我们金工实习了,看到工训下面那么 多的车床,铣床,钻床......由于要提供大的功率,所以主电机都是选用 380V。上 完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。

还说明知识是慢慢积累的过 程。见的多学的多。我明白了很多以前的疑惑。看到电视机上那些智能机器人, 他们的活动很自如,就像仿生肌肉一样。尤其是日本的机器人。它的机械臂很有 可能是步进电机控制的,还有一种说法是液压与气压控制的。我觉的两者都有。 很有幸大一时候进入了第二课堂,在里面学到东西,也接触了步进电机,我是在 学 51 单片机那时候也买了一个,就觉得很神奇。

在加上前几天参加了江西省电子设计大赛,我就感觉到要是要选控制类的题目做,步进电机是不能少的。所以 步进电机是个好东西。我在网上查了一下资料,上个世纪就出现了步进电机,它 是一种可以自由回转的电磁铁,动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别, 也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。很遗憾的是它是国外人发明的。

开始写正题了,上完这门课,那个步进电机是让我很痴迷的。步进电机在位 置控制,速度,控制方面有着卓越的作用,是其他电机无法比拟的。步进电机是 将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况 下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变 化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向 转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通 过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

步进电动机的主要特点有如下几点:

(1)转速和步距值不受电压波动、负载变化和温度变化的影响,只与脉冲频率同步,转子运动的总位移量只取决于总的脉冲信号数。

(2)开环控制,无需反馈,系统结构大为简化,工作更加可靠,维护更加方便,在一般定位驱动装置中具有足够高的精度。

(3)控制性能好,可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速,起动制动、反向及其他任何运行方式的改变,都在少数脉冲内完成。

(4)误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论值之间总有一定的 误差但它每转一圈都有固定的步数,所以在不失步的情况下,其步距误差是不会积累的。 步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是,它可接受数字控制信号(电脉冲信号)并转化成与之相对应的角位移或直线位移,因而本身就是一个完成 数字模拟转化的执行元件。

而且它能进行开环位置控制,输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。 这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比,其成本明显降低,几乎不 必进行系统调整。因此,步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等 领域,特别是微型计算机和微电子技术的发展,使步进电机获得更为广泛的应用。

步进电机的速度特性

步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成 正比,而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下,只 要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的, 为了不发生失步,启动频率是不高的。特别是随着功率的增加,转子直径增大, 惯量增大,启动频率和最高运行频率可能相差 10 倍之多。

为了充分发挥电机的快速性能,通常使电机在低于启动频率下启动,然后逐 步增加脉冲频率直到所希望的速度,所选择的变化速率要保证电机不发生失步, 并尽量缩短启动加速时间。为了保证电机的定位精度,在停止以前必须使电机从 最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度(等于或稍大于启动速度)。因此, 步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时,一般来说都应包括“启动-加 速-高速运行(匀速)-减速-停止”五个阶段,速度特性通常为梯形,如果移动的距离 很短则为三角形速度特性,如图 2 所示。

图 2 步进电机的速度曲线

步进电机控制系统结构

PC 机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的 8253 计数器 0 赋初值,设置好 加减速过程的频率变化(即速度、加速度变化),以防止失步。例如,在点位控制 中设置好速度曲线图,在起动和升速时,使步进电机产生足够的转矩驱动负载, 跟上规定的速度和加速度;在减速时,下降特性使负载不产生过冲,停止在规定 的位置。硬件控制电路板上的 8253 产生脉冲方波作为中断信号源,启动细分驱 动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲,经功率放大后驱动步进电机运动。 步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。

图 3 步进电机控制系统

软件和硬件结合起来一起进行控制,具有电路简单、控制方便等优点。在这种控制中,微机软件占用的存储单元少,程序开发不受定时限制。只要外部中断 允许,微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务,以实现多台步进电机 的运动控制。

定时器初值的确定

步进电机的实时控制运用 PC 机,脉冲方波的产生采用 8253 定时器,其计数 器 0 工作于方式 0 以产生脉冲方波,计数器 1 工作于方式 1 起记数作用,8253 计数器 0 的钟频由 2MHz 晶振提供。设计算机赋给 8253 计数器 0 的初值为 D1, 则产生的脉冲方波频率为 f1=f0/D1,周期T1=1/f1=D1/f0,D1=f0T1=f0/f1。其中, f1 为启动频率,f0 为晶振频率。

步进电机升降速数学模型

为使步进电机在运行中不出现失步现象,一般要求其最高运行频率应小于 (或等于)步进响应频率 fs。在该频率下,步进电机可以任意启动、停止或反转而 不发生失步现象。 步进电机升降速有两种驱动方式,即三角形与梯形驱动方式 (见图 1),而三角形驱动方式是梯形驱动的特例,因而我们只要研究梯形方式。 电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶 段,从启动瞬时开始,每产生一个脉冲,定时器初值减小某一定值,则相应的脉 冲周期减小,即脉冲频率增加;在减速阶段,定时器初值不断增加,则相应的脉 冲周期增大,脉冲频率减小,对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。该设计的关键 是确定脉冲定时 tn,脉冲时间间隔即脉冲周期 Tn 和脉冲频率 fn。假设从启动瞬 时开始计算脉冲数,加速阶段的脉冲数为 n,并设启动瞬时为计时起点,定时器 初值为 D1,定时器初值的减量为△。从加速阶段的物理过程可知,第一个脉冲周 期,即启动时的脉冲周期 T1=D1/f0,t1=0。由于定时器初值的修改,第 2 个脉冲 周期 T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,脉冲定时 t2=T1,则第 n 个脉冲的周期为:

Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脉冲定时为:

(2)脉冲频率为:

1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0

(3)上式分别显示了脉冲数 n 与脉冲频率 fn 和时间 tn 的关系。令△/f0=δ,即加 速阶段相邻两脉冲周期的减量,则上述公式简化为:

tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)

1/fn=T1-(n-1)δ (5)

联立(4)、(5),并简化 fn 与 tn 的关系,得出加速阶段的数学模型为:

其中,是常数,其值与定时器初值及定时器变化量有关,A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。

加速阶段脉冲频率的变化为:

(7)