步進電動機加減速控制的查表算法研究

李東君

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211188)

0 引 言

步進電動機是一種開環(huán)控制元件，因其在工作過程中不產(chǎn)生累計誤差，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但在工業(yè)控制的加減速過程中，要防止“失步”與“過沖”現(xiàn)象，保證控制過程中平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確。本文針對板材切割類中小企業(yè)的實際情況，應(yīng)用單片機控制技術(shù)，在現(xiàn)有普通剪板機的基礎(chǔ)上開發(fā)了全自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)加工過程自動化，提高現(xiàn)代化水平。實踐中發(fā)現(xiàn)，在控制過程中，加減速控制是改造過程的關(guān)鍵因素，因此，本文主要結(jié)合實際分析步進電動機加減速控制的關(guān)鍵技術(shù)，為中小企業(yè)進行剪板機的全自動改造提供重要參考。

1 步進電動機的等加等減速控制曲線

圖1 為步進電動機常用的加減速控制曲線，實際控制過程中常常根據(jù)試驗與經(jīng)驗獲取。圖1(a)為勻加速勻減速控制曲線，控制過程相對簡單，編程方便容易實現(xiàn)。按直線加速時，加速度是恒定的，要求轉(zhuǎn)矩也是恒定的，但因電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是非線性關(guān)系，故加速度與頻率也是非線性關(guān)系，實際控制中，因轉(zhuǎn)矩下降會造成“失步”現(xiàn)象。圖1(b)為指數(shù)加減速控制曲線，該控制曲線是工業(yè)控制的最佳選擇，主要是由于電機電機電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制關(guān)系類似指數(shù)規(guī)律[1]。

2 步進電動機查表法等加速等減速控制流程

考慮剪板機的生產(chǎn)實際，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免程序運算耽誤步進電動機的運行速度，簡化程序編制，采用查表法完成速度控制。查表法就是將離散升降速曲線獲得的轉(zhuǎn)速-時間常數(shù)序列，存放在程序存儲器中，重置定時常數(shù)，實現(xiàn)加減速的快速控制，圖2 為其加減速控制流程圖。為了簡化計算，減速時也采用與加速時相同的方法，取加速的逆過程設(shè)計［2］。

步進電動機位置控制的第一個參數(shù)是步進電動機控制的當(dāng)前位置參數(shù)，通常是絕對位置。絕對位置是有極限的，其極限是步進電動機執(zhí)行機構(gòu)運動范圍，超過極限則要報警。另一個參數(shù)就是從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的距離，將這個距離參數(shù)折算成步進電動機的步數(shù)。如圖2 所示，電機起動時，若為正轉(zhuǎn)，絕對位置減1，進行下一步，若越界則停機報警，若沒有越界，繼續(xù)走一步，判斷是非加速，若沒有則加速步數(shù)減1，直至加速步數(shù)減為0，則達到恒速過程，升速過程完成，減速過程參考加速逆過程，當(dāng)減速步數(shù)減為0 時，則停機返回。

圖2 加、減速控制程序流程圖

3 指數(shù)曲線升降速查表法

步進電動機加減速控制曲線表達式:

式中:fq為實際起動頻率;fm為最高運行頻率;τ 為步進電動機加減速時間常數(shù)，一般升降速過程可認為相同。對于這種指數(shù)曲線的控制，使用匯編語言難度太大。采取離散法時，插入點受限，在實際控制中調(diào)試復(fù)雜，柔性調(diào)整其控制狀態(tài)不方便。所以，一般應(yīng)用類似的拋物型曲線進行理想曲線逼近，拋物曲線運算簡單，單片機編程方便，故可對剪板機加減速控制過程進行實時控制［3］。

解得:T=0.138 051 3 s，τ=0.049 791 5 s。

假定時間的單位為s，以10-4s 為1 個單位，問題就可轉(zhuǎn)化到［0，1 380.513］區(qū)間上，故采用查表法完成速度控制。設(shè)計時，根據(jù)指數(shù)曲線進行離散處理，計算過程分成12 級，每級100 步，為了順利起動加一起動級。計算過程如下:

②計算級頻率。Δti=ti+1-ti，Ti=Δti/100，fi=1/Ti，ti為t1，t2，…，t11;得f1，f2，…，f12，如表1 所示，頻率曲線如圖3 所示。

③根據(jù)頻率計算定時常數(shù)。單片機主振頻率fosc=12 MHz，預(yù)置數(shù)定時常數(shù)的計算用下式:t=(216-X)T。脈沖時間間隔t 為定時時間，X 為定時常數(shù)。計算定時常數(shù)如表1 所示。

表1 加速、減速控制定時常數(shù)計算表

根據(jù)實際情況，為了解決提高定位速度和保證定位精度之間的矛盾，采用如下方法:把步進電動機定位過程分成兩個階段，即粗定位與精定位兩個階段，這兩個階段對步進電動機地控制都采取一樣的頻率脈沖，但選取不同的脈沖當(dāng)量δ。實際應(yīng)用時，粗定位階段采取四相四拍運行，精定位階段采取四相八拍運行。四相四拍運行階段是指步進電動機加速段全部、高速運行段和減速段的部分，脈沖當(dāng)量0.02 mm。當(dāng)擋料器快移至接近目標(biāo)時，可轉(zhuǎn)換四相八拍運行，以提高定位精度，脈沖當(dāng)量0.01 mm，讓擋料器慢慢趨近于目標(biāo)點。編程設(shè)計時注意步數(shù)計算和查表法中加減速步數(shù)設(shè)定(加速段全部和減速段部分的步數(shù)減半)［4］。

4 結(jié) 語

針對板材切割類中小企業(yè)的生產(chǎn)實際情況，本文通過分析步進電動機在全自動剪板機中的等加等減速控制曲線與控制流程，對比了梯形曲線與指數(shù)曲線控制特點，選擇了最優(yōu)的指數(shù)曲線對步進電動機進行控制，通過分析計算指數(shù)曲線的升降速控制參數(shù)，并列出計算結(jié)果，對指導(dǎo)中小企業(yè)進行剪板機的全自動改造具有積極的意義［5］。

［1］ 楊紅紅，張琛. 步進電機自動升降速控制［J］. 電氣自動化，2000，(6):14 -16.

［2］ 崔潔等.步進電機加減速曲線的算法研究［J］. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，(8):45 -49.

［3］ 徐煜明.步進電機速度控制的研究與實現(xiàn)［J］. 工礦自動化，2007，(2):82 -85.

［4］ 王建等. 步進電機加減速控制技術(shù)研究［J］. 工礦自動化，2006，(6):65 -67.

［5］ 李東君.基于單片機技術(shù)的全自動剪板機研制［J］. 機械研究與應(yīng)用，2005，(5):121 -123.