單片機控制的步進電機自適應(yīng)調(diào)速方法_孫侃pdf

1、 32 電子與自動化 1999 年第 1 期單片機控制的步進電機自適應(yīng)調(diào)速方法孫 侃(廣東中山大松通用機電有限公司技術(shù)開發(fā)部, 528437)摘 要 介紹了步進電機速度自適應(yīng)控制實現(xiàn)的機理, 步進電機分段變速控制中頻率運行代 碼、與頻率運行代碼相對應(yīng)的最高運行頻率、最小運行步長三者的對應(yīng)關(guān)系, 最后介紹了程序設(shè)計 方法。 這種由單片機實現(xiàn)的步進電機自適應(yīng)調(diào)速方法已得到實際應(yīng)用, 取得了較滿意的結(jié)果。關(guān)鍵詞 步進電機 單片機 自適應(yīng)調(diào)速 變頻信號源步進電機的變速控制 自動加/減速 控制 ,是步進電機的基本變速方式 ,常用于位 置控制場合。在這種場合 ,要求步進電機對 運動對象進行步長長度不等的實

2、時位置控 制,通常步長的變化范圍還很大,如何利用這 個基本變速方式進行有效的不失步控制, 以 滿足控制的“快而不失步”的實際需要 ,是步 進電機開環(huán)控制的中心問題。對步長較大的 定位控制 ,可以使步進電機總是以等高、等腰 梯形的升降頻曲線軌跡來運行 ,梯形曲線的 高度就是步進電機恒頻段的最高運行頻率, 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 , 對步進電機在步長較 大和較小的位置控制中, 如何實現(xiàn)位置的速 度自適應(yīng)控制進行討論。1. 步進電機控制系統(tǒng)步進電機控制系統(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

3、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 大器上進行放大, 以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。 因此變頻信號源產(chǎn)生的脈沖序列是步進電機 控制的基礎(chǔ)。本文要闡述的就是由單片機系 統(tǒng)實現(xiàn)的變頻信號源產(chǎn)生的脈沖序列如何滿 足步進電機速度自適應(yīng)控制的思路和方法。圖 1 步進電機控制圖2. 步進電機速度自適應(yīng)控制實現(xiàn)的 機理我們知道步進電機的轉(zhuǎn)速可用下式表示(以反應(yīng)式步進電機 、負載不變的情形為例):n =60ZNf (r/min)式中 f 為控制脈沖的頻率, Z 為轉(zhuǎn)子齒數(shù), N 為運行拍數(shù)。由上式可見步進電機轉(zhuǎn)速取決 于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒

4、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。在負載能力范圍內(nèi) , 這些關(guān)系不因電源 電壓、負載大小、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 進行調(diào)速, 調(diào)速范圍很寬。在實際的步進電 機位置控制中 ,也不可避免地遇到調(diào)速問題。 為了使步進電機在運行中不出現(xiàn)失步現(xiàn)象 , 一般要求其最高運行頻率應(yīng)小于(或等于)步 進電機響應(yīng)頻率 f s , 在該頻率下 , 步進電機 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

5、速控制方式, 即先低速啟動 ,1999 年第 1 期 電子與自動化 33 高速運轉(zhuǎn) ,然后降低速度 ,最后停止。因此在 步進電機的位置控制中, 存在著兩類不同的 情形 ,一類是:當(dāng)步進電機要行走的步長較長 時,由于行走的距離長,可以讓其運行在很高 的頻率上, 甚至可以運行在最高響應(yīng)頻率 f s 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 ,步進電機 可以而且最好是運行于最高響應(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)步進電機運行的步長小到某一步長 L s 后,由于走過的距離短,如果仍然以不變的最 高響應(yīng)頻率運行 ,顯然步進電機在運行中就

6、 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電機降低頻率運行, 這個頻率本文且記為 f si 。毫無疑問, 這個 f si 是隨著步長的不同而不同的 ,并且 f si 正比于 步長 ,步長大時, f si 就大, 步長小時 f si 就小。 因此在步長變得較小后, 在步進電機的梯形 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長自動地選擇合適的曲 線來運行 ,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“步進電機分段變速控制” 的

7、方 法。為了很好地說明這種方法 ,還須引進“最 小步長”和“頻率運行代碼”的概念。最小步長 在步長較小時, 若選定某 一最高運行頻率 f si ,在這個 f si下步進電機不 失步所能行走的最小距離(步長)。頻率運行代碼選定某 -f si ,對應(yīng)于 這個最高運行頻率, 步進電機在升頻或降頻 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 步進電機分段變速控制了。3. 步進電機分段變速控制設(shè)某一臺步進電機(型號:110BYG201) 最高起跳頻率為 1000Hz , 最高運行頻率為 10000Hz , 從起跳頻率開始若每隔 f =1000Hz

8、分一個速度段 ,則可分成 10 個速度 段進行控制 , 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行代碼。進行分段變速 控制的頻率運行代碼及與頻率運行代碼相對 應(yīng)的最高運行頻率 f si 、最小運行步長如表 1 所示。圖 2 分段變速控制圖表 1 速段代碼表速 段0123456789頻率運行08162734435260757D7F代碼頻率 f(Hz)si100020003000400050006000700080009000100000最小運行步長110374660924 121015441852231024882574(脈沖數(shù))表1 中 ,每一個速

9、段都隱含有一個對應(yīng) 于最小步長的升降頻運行曲線 , 實際上已建 立了一個分段變速控制的模型。若已知步進 電機的運行步長 ,如何根據(jù)上表的最小步長 值,確定步進電機應(yīng)運行在哪一個速段下的 升降頻曲線呢 ? 很顯然, 已知運行步長 ,可查 這張表迅速決定要運行的速段。例如 ,已知 運行步長為 1000 , 查表立即可知 , 步進電機 若不失步, 運行在最小步長為 924 的速段是 最合適的 ;如果選擇最小步長為 660 的速段 , 雖然步進電機運行不會失步 , 但運行速度卻 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行 1210 步長才不至 失步 ,顯然 ,運行僅僅 1

10、000 的步長卻選擇高 一檔的速段, 步進電機就會失步。因此設(shè)計 時,首先根據(jù)步進電機的運行特性確定出表 34 電子與自動化 1999 年第 1 期1 ,然后就可進行程序的設(shè)計了 。4. 程序設(shè)計在設(shè)計中頻率運行代碼值取代表升頻過 程的步長 L 1 , 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 L 3 =L 1 ;因此各段 的恒頻段的步長 ,也就是步進電機各段恒頻 運行于最高運行頻率 f si(i=1 ,2 , ,。表 示全過程分為段)處的步長 :L 2 =L si(總步長)-L 1 -L 3 =L si -2L 1運行過程中不失步。這

11、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。升降頻過程采用單片機定時器 T 0 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 T 0 中 斷服務(wù)子程序框圖。圖 3 步進電機變速控制過程假定在每個階梯步長 ,步進電機以恒頻 率行走 步, 因升頻過程共有“ 頻率運行代 碼”個階梯步長, 則升頻過程共走“ ×頻率 運行代碼”步 , 在降頻過程中步進電機亦走 “×頻率運行代碼” ,因此恒頻段的步長為 :L 2 =L -2 L 1 =L -2 ×頻率運行代碼 這樣利用實際須運行的步長求出相關(guān)的 最小步長這

12、個參數(shù), 再根據(jù)這個最小步長就 可找出相應(yīng)的頻率運行代碼 , 就完全可以使 步進電機在程序的控制下根據(jù)實際要求的運 行步長自動選擇合適的升降頻曲線(通過查 另一張運轉(zhuǎn)代碼表)來運行,實現(xiàn)了步進電機 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 ,步進電機是一種輸出與 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, 以確保圖 4 主程序框圖圖 5 T 0 中斷子程序框圖1999 年第 1 期 電子與自動化 35 交流變頻器在漿紗生產(chǎn)線上的應(yīng)用區(qū)家賢(粵江織造實業(yè)有限公司,

13、 廣東南海市九江鎮(zhèn), 528203)摘 要 針對紡織漿紗生產(chǎn)線中傳統(tǒng)拖動方式的缺點, 采用變頻調(diào)速技術(shù)進行改造, 取得了 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1. 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 8 16 個白經(jīng)軸 ,其本身不存在傳 動裝置 ,而是由中機即 30kW 滑差電動機拖 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:由于中機電動機拖動負載大 ,電動機溫 升高, 噪音大。 經(jīng)軸架與中機間經(jīng)紗線的 張力難于控制 , 造成張力不

14、均勻。 在上下 兩層經(jīng)紗架上轉(zhuǎn)換接縛紗線時要關(guān)掉中機電 動機 ,造成色紗等損失,降低等級的情況隨時 會發(fā)生,嚴(yán)重地影響染紗質(zhì)量。為此,我們在 白經(jīng)軸架與中機之間安裝一個經(jīng)軸貯紗架, 而白經(jīng)軸的拖動改用一臺 2.2kW 、940r/min 的三相電動機經(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)濟效益。2. 變頻器的選用經(jīng)軸拖動電動機的數(shù)據(jù)為:P =2 .2kW , n =940r/min , I =5 .69 .6A , /Y 接法。為此,變頻調(diào)速器選用臺達公司產(chǎn)品 ,其型號為VFD37A43A , 適用功率為 3.7kW , 對于2.2kW 電

15、動機應(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(比功率器件 GT R 要好得多), 而且整臺 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 ,另外整機價格不算貴,比 日本機便宜。這是我們樂于使用它的原因。3. 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 、XK3 行程開關(guān)采用 LX25-511 棒狀行程開關(guān) ,AN2 為旋鈕開關(guān) 。手動操作

16、時 ,AN2 的 1 、5 旋合, L5 手動 操作指示燈亮。此時由 AN2 的 1 、4 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,其觸點斷開變頻 調(diào)速器的調(diào)速電位器給定電源和前向指令,電5. 結(jié)果。結(jié)束語本文敘述的方法在我公司產(chǎn)品包裝機的主要參考文獻 1 陳隆昌, 陳莜艷.控制電機.西安電子科技大學(xué)出版“步進電機用于物料小劑量計量控制”的項目社, 1994中得到了很好的實際應(yīng)用, 取得了較滿意的(收稿日期:1998-08-12) 56 電子與自動化 1999 年第 1 期Abstracts of Some Articles in This Issue

17、Application of S-C MC-based Argon Flow Control System in Electric Medical Operator/ X u Huaqing , Zhang Peimin/E lectronics &Automation .-1999 , 28(1).-1113High frequency Argon flow electric operator has an impor-tant application in medical operation , and the control and ad-justment of the Argo

18、n flow is the key technology .This article in troduces the principle , structure and related electric circuits of the Argon flow control system .Under the environment of strong electromagnetic radiation interference, this system , w hich can adjust and control the Argon flow p recisely at +/ - 0 .2L

19、/ min , is a practical system .Keywords :high frequency electric operator, Argon flow , flow control , s-c microcomputerReal-time Metering of Coal Consumption in Thermal Plant/X u Qinglin , Du Y ou fu/ E lectronics &Automation .-1999 ,28(1).-1315To solve the metering problem of the coal consumpt

20、ion in the thermal plant , a calculation model is given in this article w ith an explanation of system hardw are and software design . By using this model , the coal consumption of each furnace can be measured accurately , and the data acquisition and data base system are integrated to form a meteri

21、ng and monitoring system for each individual fu rnace.This system has been applied in several plants featu ring w ith multi-functions .Keywords:thermal plant , coal consumption , real-time metering , data acquisitionData Re-structure &Memory Technology of Digital Video Sig-nal of LED Color Displ

22、ay/ Liu Chuanqing et al/ Electronics&A utomation .-1999 , 28(1).-1517Low display updating speed and less gray scale grades existin LED display .For this, data restructure of digital video sig-nal is m ade according toitsspecial structure, and specialbitplane encoding memoryandscanning technology

23、 are usedtoachieve stable and high speed display effect of animation .This paper details the configuring principle and its realization .The p ractice proves :all color LED display w ith bit plane encoding technology results in good gray scale w ith stable image without flutter, and the circuit is ea

24、sy and flexible .Keywords:data restructure , bit plane encoding , memory technology , gray scale display , LED displayDevelopment of Image Capturing with Digital Video Monitor-ing System Based on PCI Bus/ Wen Y ining , ZengZejun/E lectronics &Automation .-1999 , 28(1).-1821The real time true col

25、or videosignal is oftenprocessedw ith digitizer in supervisory control ,desk top video and all sortsof microcomputer image processing system .According to the features of the digital video monitoring system based on digital video decoder Bt848 , the new est developed PCI local bus is usedin image ca

26、pturing .This paper describes the realization of the image capturing and video editing of the monitoring system based on PCI bus , PCI bus specification , principle of the digital video decoding and the development of user softw are.Besides , part of source program developed with VC +4 .2 is given .

27、Keywords :PCI bus , monitoring system , image capturing , video editing , digital video decodingDesign and Analysis of A DC Dual-Output Adjustable Power Supply Featuring with High Quality and Simplicity/ Zhou Kaitin , Zheng Lixin/ Electronics &Au toma tion .-1999 , 28(1).-2224Based on the necess

28、ary characteristics of a quality stabi-lized voltage DC pow er supply , this article describes a dual-out-put stabilized voltage DC supply consisted of PI regulator and common-emitter connected transistor featuring simplicity and high quality w ith characteristic analysis .A design example is given

29、with max .Output current 5A , M ax .Output voltage 50V , voltage regulation rate 0 .012 %, load regulation rate 0 . 04 %, and ripple immunity ratio 84dB .Keywords:DC stabilized voltage supply , common-emitter connected , PI regulator, ripple analysisRecording the Operation Process in Electricity Networks Con-trol Operation by Using Windows Programming Technology/Wang Qiang Electron ics & Automation.-1999 , 28(1).-30 31 , 36In developing the full-range simulator of the electricitynetw orkscontrol of the thermal pow er plant of Daqing OilField, byusing W INDOWS programming techno