單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)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(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(jì) 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 變頻信號源步進(jìn)電機(jī)的變速控制 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)

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(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。1. 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

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(jìn)行放大, 以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。 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 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2. 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 =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(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

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(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。 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 f s , 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

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(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 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(jìn)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 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(yùn)行 ,顯然步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)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(jìn)電機(jī)降低頻率運(yùn)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(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

7、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 在步長較小時, 若選定某 一最高運(yùn)行頻率 f si ,在這個 f si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)行代碼選定某 -f si ,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。3. 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) 最高起跳頻率為 1000Hz , 最高運(yùn)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(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 f si 、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08162734435260757D7F代碼頻率 f(Hz)si100020003000400050006000700080009000100000最小運(yùn)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(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 1

10、000 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(jì) 時,首先根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(jìn)行程序的設(shè)計(jì)了 。4. 程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中頻率運(yùn)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(jì)數(shù)器中 的階梯計(jì)數(shù)值, 見圖 3 。為簡化程序設(shè)計(jì) ,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(jìn)電機(jī)各段恒頻 運(yùn)行于最高運(yùn)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(yùn)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(jī)定時器 T 0 延時 , 以圖 3 的直線升降(頻)方式設(shè)計(jì)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(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 步, 因升頻過程共有“ 頻率運(yùn)行代 碼”個階梯步長, 則升頻過程共走“ ×頻率 運(yùn)行代碼”步 , 在降頻過程中步進(jìn)電機(jī)亦走 “×頻率運(yùn)行代碼” ,因此恒頻段的步長為 :L 2 =L -2 L 1 =L -2 ×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

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(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(shí)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(diǎn), 采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)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(jī)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(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

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(jī)電 動機(jī) ,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(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 2.2kW 、940r/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。2. 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 3.7kW , 對于2.2kW 電

15、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 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(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。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(jì)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(diǎn)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(jī)的主要參考文獻(xiàn) 1 陳隆昌, 陳莜艷.控制電機(jī).西安電子科技大學(xué)出版“步進(jìn)電機(jī)用于物料小劑量計(jì)量控制”的項(xiàng)目社, 1994中得到了很好的實(shí)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