南昌大學(xué)機(jī)電科學(xué)與工程研究所 李 靈 朱洪濤 廖文國(guó)

多步進(jìn)電機(jī)的變細(xì)分加減速控制研究

南昌大學(xué)機(jī)電科學(xué)與工程研究所 李 靈 朱洪濤 廖文國(guó)

近些年來，由于步進(jìn)電機(jī)具有精度高、慣性小、工作可靠，并且能實(shí)現(xiàn)高精度快速開環(huán)控制的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在舞臺(tái)燈的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。要求步進(jìn)電機(jī)能夠高速、精確的運(yùn)行，即在保證步進(jìn)電機(jī)在不失步和不過沖的情況下，以最快的速度平穩(wěn)地運(yùn)行到指定位置，這就對(duì)步進(jìn)電機(jī)的升降速控制以及多步進(jìn)電機(jī)的協(xié)同控制提出了很高的要求。

一、升降頻步進(jìn)電機(jī)加減速方法

為了克服失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)在步進(jìn)電機(jī)啟停時(shí)進(jìn)行加減速控制。步進(jìn)電機(jī)常用的是升降頻控制方法。微控制器中一般都是采用定時(shí)器中斷方式來控制步進(jìn)電機(jī)的加減速，實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器中裝載值的大小。一般用離散方法逼近理想的升降速曲線，根據(jù)不同階段的頻率計(jì)算出定時(shí)器中裝載值的大小和相應(yīng)走過的步數(shù)，放在一個(gè)表格中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采用查表的方法讀出所需要的值實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)整。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加/減速控制，實(shí)際上就是控制發(fā)脈沖的頻率，升速時(shí)，使脈沖頻率增高，減速時(shí)相反。這種控制方法在步進(jìn)電機(jī)數(shù)量有限、步進(jìn)電機(jī)速度不高、對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度和靈敏度不高的場(chǎng)合行之有效。在舞臺(tái)燈中，以某款燈具為例，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)數(shù)量為20個(gè)，電機(jī)型號(hào)各不相同，電機(jī)速度為6RPM～200RPM，電機(jī)有連續(xù)旋轉(zhuǎn)、到達(dá)指定位置、在指定位置以某一偏移角度左右擺動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。控制器接收DMX512協(xié)議的指令，把指令翻譯成每個(gè)電機(jī)的目標(biāo)狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)指令要求協(xié)同控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行。DMX512協(xié)議的波特率為250KBPS，系統(tǒng)響應(yīng)速度和靈敏度較高。由此可見，如果采用升降頻方法就得為每個(gè)電機(jī)建立一個(gè)頻率-步長(zhǎng)表，定時(shí)器初值的計(jì)算與裝載也頗為不便，這將耗費(fèi)大量的MCU資源，電機(jī)的速度達(dá)不到要求。據(jù)此筆者研究了一種全新的變細(xì)分控制算法。

二、變細(xì)分步進(jìn)電機(jī)加減速方法

升降頻加減速的本質(zhì)是固定細(xì)分階數(shù)，改變階梯波脈沖頻率；而變細(xì)分加減速則是固定階梯波脈沖頻率，改變細(xì)分階數(shù)。

要實(shí)現(xiàn)變細(xì)分，就必須根據(jù)不同的細(xì)分階數(shù)生成不同的階梯波。建立階梯波數(shù)值表，有兩種方法，一種是針對(duì)每種細(xì)分方式建立相應(yīng)的表格，其特點(diǎn)是細(xì)分種類多樣，但表格所占空間較大，而且只能實(shí)現(xiàn)有限的細(xì)分階數(shù)；另外一種，建立一種固定細(xì)分階數(shù)的階梯波數(shù)值表。在具體控制中，通過設(shè)定循環(huán)增量基數(shù)，使不同的電機(jī)速度要求對(duì)應(yīng)不同的細(xì)分步數(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變細(xì)分加減速，這也是本控制系統(tǒng)采用的方法。

固定頻率時(shí)不同速度對(duì)應(yīng)的細(xì)分階數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，Sub1為所需細(xì)分?jǐn)?shù)，F(xiàn)為脈沖頻率，S為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度（單位：rpm）。

本系統(tǒng)中固定細(xì)分表的細(xì)分階數(shù)為256，因此循環(huán)增量的計(jì)算公式如下：

式中：Mx_Step為循環(huán)增量。

如此一來，在固定頻率下，電機(jī)速度與循環(huán)增量成正比，通過改變循環(huán)增量值的大小可以很方便地改變電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)加減速控制。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

下面以顏色盤的控制過程為例來體現(xiàn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)功能。顏色盤通道指令與電機(jī)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。由表可知，當(dāng)指令表示電機(jī)轉(zhuǎn)到固定位置時(shí)，電機(jī)運(yùn)行期間的最高速度為100r/ min；當(dāng)指令表示電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)加速到該速度后保持該速度勻速運(yùn)行。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)刷新頻率為5KHz，則由此可計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行期間的最高循環(huán)增量值。

電機(jī)加減速控制基本思路如下：

1.在微控制器ROM中建立一個(gè)固定的公共正余弦256細(xì)分表格。

2.設(shè)變量S_Value，Max_Step，Mx_BigStep，Mx_State分表表示電機(jī)的啟動(dòng)步長(zhǎng)，循環(huán)增量,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°標(biāo)志位和當(dāng)前電機(jī)在細(xì)分表中的位置。

3.根據(jù)電機(jī)速度要求設(shè)定定時(shí)器中斷初值為某一固定值。

表 1 顏色盤通道指令與電機(jī)狀態(tài)

4.定時(shí)器中斷刷新電機(jī)DA值，根據(jù)當(dāng)前電機(jī)所在細(xì)分表中的位置加上循環(huán)增量得到新的電機(jī)所在查細(xì)分表位置，查表得到正余弦值，刷新電機(jī)的DA。

5.主程序根據(jù)DMX512指令要求，計(jì)算各個(gè)電機(jī)的目標(biāo)狀態(tài)和電機(jī)最高速度，進(jìn)而計(jì)算循環(huán)增量值，判斷電機(jī)1.8°標(biāo)志位，加減速階段電機(jī)每轉(zhuǎn)過1.8°改變一次循環(huán)增量值的大小。

以顏色盤指令值υ=215，電機(jī)連續(xù)正轉(zhuǎn)，最高速度為152.3r/ min為例，循環(huán)增量 Max_Step=26。電機(jī)起步 S_Value=1，Mx_State=0。顏色盤加速控制簡(jiǎn)約流程圖如圖2所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)到固定位置或者反轉(zhuǎn)，擺動(dòng)的加減速類似，在程序中也很容易實(shí)現(xiàn)。多電機(jī)控制只需將每個(gè)電機(jī)順序執(zhí)行便可。

四、結(jié)論

這種步進(jìn)電機(jī)加減速控制方法穩(wěn)定可靠，比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，能充分利用控制器資源，尤其適合在單一控制器控制多步進(jìn)電機(jī)的場(chǎng)合中，并已成功應(yīng)用在1500W的搖頭燈中。