步進電機的速度調(diào)節(jié)方法

1、變頻與調(diào)速步進電機的速度調(diào)節(jié)方法王玉琳1,王強2(1.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,合肥230069;2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009摘要:提出了步進電機的幾種速度調(diào)節(jié)方法。脈沖頻率的調(diào)節(jié)采用軟件延時或硬件定時。升降頻采用直線升降法、指數(shù)曲線升降法或拋物線升降法。給出了脈沖頻率調(diào)節(jié)的實用程序,通過對步進電機矩頻特性曲線的分析,得出了步進電機的升頻表格,并提供了一個完整的軟件升降頻流程圖。幾種調(diào)速方法應(yīng)用在多種數(shù)控機床上,提高了步進電機的定位精度,改善了電機轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性,加速了電機的升降過程。關(guān)鍵詞:步進電機;速度控制;升降頻中圖分類號:T M301.2T M383.6文獻

2、標識碼:A文章編號:100128085(20060120053204M ethods of Speed Regul a ti on for Stepper M otorWAN G Yu2lin,WAN G Q iang(1.School of Mechanical&Aut omotive Eng.,Hefei Technol ogy Univ.,Hefei230069,China;2.School of Material Science&Eng.,Hefei Technol ogy Univ.,Hefei230009,ChinaAbstract:Several kinds of

3、 methods of s peed regulati on for stepper mot or are p resented in the paper.The fre2 quency of feeding pulses is regulated by s oft w ares delaying or hard wares ti m ing.The frequency2rising and frequency2 falling use linear method,exponential curve method and parabolic curve method.The p ractica

4、l p r ogra m s are given f or the regulating of pulsesfrequency.The frequency2rising table of the stepper mot or is got by analyzing the characteris2 tics of the t orque2frequency curve of the mot or and a comp lete s oft w are fl ow chart of frequency2rising and frequency2 falling is p resented.Sev

5、eral kinds of s peed2regulating methods have been used in many CNC machine2t ools and the positi oning accuracy of the stepper mot or is raised,the r otati on of the mot or becomes more s mooth and the s peed2ris2 ing and s peed2falling of the mot or are accelerated.Key words:stepper m otor;speed co

6、n trol;frequency2r isi n g and frequency2fa lli n g0引言步進電機是一種數(shù)字電機,在經(jīng)濟型數(shù)控機床及自動化設(shè)備中應(yīng)用廣泛?？刂撇竭M電機的轉(zhuǎn)動需要3個要素:方向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速1,2。對于含有硬件的驅(qū)動電源,方向取決于控制器送出的方向電平的高或低。轉(zhuǎn)角取決于控制器送出的步進脈沖的個數(shù)。而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進脈沖之間的時間間隔3,4。在步進電機的控制中,方向和轉(zhuǎn)角控制簡單,而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。步進電機工作時,失步或過沖直接影響其定位精度。在設(shè)計系統(tǒng)的時候,除了應(yīng)正確選擇步進電機和驅(qū)動電源5,6之外,還必須對步進電機控制脈沖的頻率進行調(diào)節(jié)。由于

7、步進電機的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率,所以調(diào)節(jié)步進電機脈沖頻率,實質(zhì)上就是調(diào)節(jié)步進電機速度3,7。本文將具體討論步進電機的速度調(diào)節(jié)問題,并結(jié)合實例給出軟件實現(xiàn)的方法。1步進脈沖的調(diào)頻方法對步進電機控制的一個中心問題就是速度調(diào)節(jié)。即產(chǎn)生一系列頻率可調(diào)的步進脈沖序列,送到驅(qū)動電源,控制電機繞組的輪流通電,實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動。脈沖序列的產(chǎn)生用微處理器實現(xiàn),有軟件延時和硬件定時兩種方法。(1軟件延時:通過調(diào)用標準的延時子程序電機與控制應(yīng)用2006,33(1步進電機的速度調(diào)節(jié)方法來實現(xiàn)。假定控制器基于AT89S52單片機8,晶振頻率為12MHz,那么可以編制一個標準的延時子程序如下:DE LAY:MOV A,

8、0DH DE L2:NOPJZ DE L2NOPCLR C NOPRRC A DE L3:NOPJZ DE L3NOPMOV0DH,A NOPDJNZ0DH,$DE L6:MOV A,0EHJ MP DE L6JZ DE L5D252:MOV R0,#53H DE L4:CALL D252D253:NOP DJNZ0EH,DE L4 DJNZ R0,D253DE L5:RETRET該子程序的入口為(0E(0D兩個字節(jié),若需要20000s的延時,則給(0E(0D兩個字節(jié)賦值4E20H,即執(zhí)行下面程序:MOV0EH,#4EH;20000的十六進制碼為4E20。MOV0DH,#20HCALL DE

9、LAY;調(diào)用標準延時子程序DE LAY。若要控制步進電機走100步,每兩步之間延時20000s,則匯編程序為:MOV0FH,#100D;準備走100步。CONTI:CALL I-STEP;電機走一步(調(diào)用電機的脈沖分配子程序MOV0EH,#4EH;20000的十六進制碼為4E20。MOV0DH,#20HCALL DE LAY;相鄰步之間的延時(決定電機的轉(zhuǎn)速。DJNZ0FH,CONTI;循環(huán)次數(shù)減1后,若不為0則繼續(xù),循環(huán)100次?？梢钥闯?采用軟件延時方法實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的優(yōu)點是程序簡單,思路清晰,不占用硬件資源。缺點是浪費CP U的寶貴時間,在控制電機轉(zhuǎn)動的過程中,CP U不能做其它事。(2硬

10、件定時:假定控制器仍為AT89S52單片機,晶振頻率為12MHz,將AT89S52的T0作為定時器使用,設(shè)定T0工作在模式1(16位定時/計數(shù)器。今要求它能定時地發(fā)出步進脈沖,其定時中斷產(chǎn)生的脈沖序列的周期(即步進電機的脈沖間隔假定為20000s,則可算出T0所對應(yīng)的定時常數(shù)為B1E OH8,CP U相應(yīng)的程序如下:主程序:MOV T MOD,#01H;設(shè)T0取工作模式1。MOV TH0,#0B1H;裝入定時常數(shù)高8位。MOV T L0,#0E0H;裝入定時常數(shù)低8位。SET B TR0;啟動T0定時。SET B ET0;允許T0中斷。SET B E A;允許CP U中斷。$;CP U等待T0

11、的定時到。中斷服務(wù)程序:C LR ET0;關(guān)T0中斷。C ALL I-STEP;控制電機走一步(調(diào)用電機的脈沖分配子程序。RETI;T0中斷返回。本例中,只要改變T0的定時常數(shù),就可實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。這種方法既需要硬件(T0定時器又需要軟件來確定脈沖序列的頻率,所以是一種軟硬件相結(jié)合的方法。它的缺點是占用了一個定時器。在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中常采用定時中斷的方法,這樣可以提高CP U的利用率。2升降頻方法及其實現(xiàn)2.1升降頻方法當(dāng)步進電機的運行頻率低于它本身的起動頻率時,步進電機可以用運行頻率直接起動,并以該頻率連續(xù)運行,需要停止的時候,可以從運行頻率直接降到零速。此時,電機運行于恒速狀態(tài),無

12、需升降頻控制。當(dāng)步進電機的運行頻率fb>f a(f a 為步進電機有載起動時的起動頻率時,若直接用fb起動,由于頻率太高,步進電機會丟步,甚至產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。同樣,在fb頻率下突然停止,步進電機會超程。因此,當(dāng)要求步進電機在運行頻率fb 下正常工作時,就需要采用升降頻控制,以使步進步進電機的速度調(diào)節(jié)方法電機與控制應(yīng)用2006,33(1電機從啟動頻率f a 開始,逐漸加速升到運行頻率f b ,然后進入勻速運行,最后的降頻可以看作是升頻的逆過程2,7。步進電機常用的升降頻控制方法有3種:(1直線升降頻。如圖1所示。這種方法是以恒定的加速度進行升降,平穩(wěn)性好,適用于速度變化較大的快速定位方式。加速時

13、間雖然長,但軟件實現(xiàn)比較簡單 。圖1直線升降頻(2指數(shù)曲線升降頻。如圖2所示,這種方法是從步進電機的矩頻特性出發(fā),根據(jù)轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化規(guī)律推導(dǎo)出來的。它符合步進電機加減速過程的運動規(guī)律,能充分利用步進電機的有效轉(zhuǎn)矩,快速響應(yīng)性能較好,升降時間短。指數(shù)升降控制具有較強的跟蹤能力,但當(dāng)速度變化較大時平衡性較差,一般適用于跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工中1,9 。圖2指數(shù)曲線升降頻(3拋物線升降頻。如圖3所示,拋物線升降頻將直線升降頻和指數(shù)曲線升降頻融為一體,充分利用步進電機低速時的有效轉(zhuǎn)矩,使升降速的時間大大縮短,同時又具有較強的跟蹤能力,這是一種比較好的方法9。2.2軟件實現(xiàn)步進電機在升降頻過程中,

14、脈沖序列的產(chǎn)生,即兩個脈沖時間間隔的軟件確定,有2種方法:(1遞增/遞減一定值10。如線性升降頻 ,圖3拋物線升降頻兩脈沖頻率的差值f =|f i -f i -1|是相等的,其對應(yīng)的時間增量f 也是相等。時間的計算若采用軟件延時的方法,可先設(shè)置一個基本的延時單元T e ,不同頻率的脈沖序列可由T e 的不同倍數(shù)產(chǎn)生。設(shè)起動時所用頻率對應(yīng)的時間常數(shù)為t N e ,以后逐次遞減t (設(shè)t =t M e ,直到等于運行頻率f b 所對應(yīng)的時間(t Re 為止。這種方法編程簡單,節(jié)省內(nèi)存。時間計算也可采用定時中斷的方法,可將定時常數(shù)逐次遞增/遞減一定值,實現(xiàn)升降頻控制。因其定時不是連續(xù)的,所以升降速曲

15、線不是一條直線,而是折線,但可近似看成直線。(2查表法10。為了對步進電機實現(xiàn)最佳升降頻控制,縮短電機的升降頻時間,可從步進電機矩頻特性出發(fā)進行分析。由步進電機的矩頻特性(見圖4,130BC3100A 電機可知,轉(zhuǎn)矩M 是頻率f 的函數(shù)(即角加速度d/d t =M (f /J,J 為電機的轉(zhuǎn)動慣量,它隨著f 的上升而下降,所以它呈軟的特性。當(dāng)頻率較低時,轉(zhuǎn)矩M 較大,對應(yīng)的角加速度d/d t 也較大,所以升頻的脈沖頻率增加率d f /d t 應(yīng)取得大一些;當(dāng)頻率較高時,M 較小,d/d t 也較小,此時,升頻的脈沖頻率增加率d f /d t 應(yīng)取小一些,否則,會由于無足夠的轉(zhuǎn)矩而失步。因此,根

16、據(jù)步進電機的矩頻特性,可以看出:在步進電機的升頻過程中,應(yīng)遵循“先快后慢”的原則。按此要求,從開始升頻到升至f b 之間,按最佳升頻要求的頻率取出f 1,f 2,f n ,并將它們所對應(yīng)的脈沖間隔時間t 1,t 2,t n , 依次存圖4步進電機的矩頻特性曲線電機與控制應(yīng)用2006,33(1步進電機的速度調(diào)節(jié)方法 于內(nèi)存的一個數(shù)據(jù)區(qū),如表1所示(稱階梯頻率表。表1階梯頻率表序號頻率( 時間備注K 1f a (t a 最低頻率K 1+1f 1(t 1K 1+2f 2(t 2升頻降頻K 1+nf n (t n 最高頻率考慮到步進電機的慣性作用。在升速過程中,如果速率變化太大,電機響應(yīng)將跟不上頻率的

17、變化,出現(xiàn)失步現(xiàn)象。因此,每改變一次頻率,要求電機持續(xù)運行一定步數(shù)(稱階梯步長,使步進電機慢慢適應(yīng)變化的頻率,從而進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)。根據(jù)最佳升降頻控制規(guī)律9,可推出步進電機的“頻率2步長”關(guān)系曲線如圖5所示 。圖5頻率2步長曲線這樣,升頻時除需將階梯頻率表存于內(nèi)存的一個數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)外,還需建立另一個數(shù)據(jù)區(qū),用來存放階梯步長(如表2所示。在升頻過程中,可用查表的方法,分別得到f i (t i 和所對應(yīng)的L i ,實現(xiàn)升降頻控制。軟件上的具體做法是:將f i (t i 和L i 在EPROU 中交替存放(如表3所示,程序執(zhí)行時按順序取數(shù),每次取出一個頻率和該頻率對應(yīng)的步長。表2階梯步長表序號步長(脈

18、沖K 2L a K 2+1L 1K 2+2L 2K 2+nL n表3頻率2步長表K f a (t a K +1L aK +2f 1(t 1K +3L 1K +4f 2(t 2K +5L 2詳細的步進電機升降頻軟件流程如圖6所示 。圖6升降頻的軟件流程圖(下轉(zhuǎn)第64頁步進電機的速度調(diào)節(jié)方法電機與控制應(yīng)用2006,33(1圖6采用AC FCB時的自然滅磁V6繼續(xù)導(dǎo)通60°當(dāng)t1時刻觸發(fā)V2時,由于此時V2兩端承受正向電壓U b2U c而導(dǎo)通,一旦V2導(dǎo)能后AC FCB立刻熄弧,轉(zhuǎn)子通過V2、V5及自身的電阻進行滅磁(滅磁電阻不起作用。由此看來,AC FCB的電弧持續(xù)時間(t1t最長為12

19、0°電角度(在自然換相點開始燃弧時。而且,該電弧靠電流自然過零而熄滅,不象DC FCB那樣,靠絕緣介質(zhì)強度熄滅,這對開關(guān)觸頭的壽命有利。當(dāng)然,自然滅磁的時間較長,對于300MW的機組,L=0.87H,Rf=0.1253,時間約為7s?！緟⒖嘉墨I】1UN I TROL5000Operati on and Maintenance ManualS.ABB I ndustrie AG,2001.2UN I TROL5000Excitati on Syste m for M ediu m andLarge Synchr onous MachineS.ABB I ndustrie AG,2001.收稿日期:2005211214(上接第56頁3結(jié)語本文提出的步進電機的速