一种步进电机最佳升降速的控制方法.pdf

电气自动化 2012年第34卷第5期 变流技术 Converter Techniques 一种步进电机最佳升降速的控制方法 李汉 广州航海高等专科学校 广东广州510725 摘要 针对步进电机按特定的升降速曲线进行控制无法充分发挥步进电机最大的驱动能力的情况 提出一种步进电机最佳升降速的 控制方法 并给出计算步进电机的最佳升降速率曲线的算法和步骤 为了验证控制方法的有效性 构建一个以32位微处理器 ARM7 LPC2114 为控制器的实验装置 实验结果表明控制方法能够充分利用步进电机的驱动能力 减少步进电机到达稳定转 速的时间 提高驱动系统的快速性 关键词 步进电机 升降速控制 ARM7 驱动能力 稳定转速 中图分类号 TM301 2 文献标志码 A 文章编号 1000 3886 2012 05 0032 03 A Method of the Optimum Speedup Speeddown Control of the Stepper Motor LI Han GuangZhou Maritime College GuangZhou GuangDong 5 10725 China Abstract The method of using the particular speedup 8peeddown curve to control the stepper motor can not make the best HSC of its driving power This paper introduces another method to reach the optimum speedup speeddown of the stepper motor and provides the way and the step to calculate the optimum rate of speedup speeddown curve To testify the validity of this method a experimental device by using of a 32一bit microprocessor ARM7 LPC21 14 is builded The experimental results shows that this method can make good use of the driving power of the stepper motor and reduce the time for the stepper motor to reach the stable speed thus improving the rapidity of the driving system Keywords Stepper Motor Speedup Speeddown Control ARM7 Driving system Stable speed 0 引 言 在经济型数控机床中 普遍采用步进电机作为伺服驱动部 件 步进电机将电脉冲信号转换成角位移 驱动执行机构按一定 的规律运动 对步进电机的升降速进行有效的控制 使运动机构 以最快的速度移动到位是步进电机控制的基本要求 因此诸多研 究 针对步进电机的升降速采取各种方法 企图达到这个目 的 目前步进电机升降速曲线多采用4种 分别是阶梯加减速 曲线 直线加减速曲线 指数加减速曲线和s形加减速曲线 这 些加减速曲线各有优缺点 应用场合也不尽相同 这些研究对步 进电机的应用都起到积极的意义 但是由于它们使用特定的曲 线 因此无法达到充分利用步进电机驱动能力的要求 随着32 位单片机的出现 其片内资源十分丰富 为步进电机新型的应用 提供的条件 本文提出一种采用32位单片机为控制器的步进电 机最佳升降速的控制方法 1 最佳步进电机升降速的控制 1 1 步进电机最佳升降速控制的条件 1 不失步的要求 在步进电机运转期问不失步 这是步进电机升降速控制最基 本的要求 造成步进电机失步的原因较多 主要有步进电机升降 速率过大造成转子的转速跟不上驱动磁场的转速 步进电机产生 共振也会造成电机失步 J 为了防止步进电机失步 在步进电机 控制采取的措施主要是限制步进电机的启动转速 停止转速和最 收稿日期 2011 10 17 32 ElectricaI Automation 高转速 并限制升降速的速率 步进电机的升降速率较高有利于 提高系统的动态响应速度 但是容易造成电机失步 而较低的升 降速率能够满足不失步的要求 但会降低系统的响应速度 如何 选择适当的升降速率才能充分发挥步进电机应有的性能 这是步 进电机最佳控制必须考虑的问题 2 步进电机矩频特性 如果步进电机能够采用较高的升降速率 则少进电机的过渡 时间较小 对提高步进驱动系统的快速性具有十分积极的 甑义 但是过高的升降速率容易使步进电机失步 解决这个问题的关键 是步进电机的矩频特性和负载特性 图1所示为本文所用步进 电机的矩频特性和负载特性曲线图 根据系统的运动方程 1 375 d t d 其中 7 为步进电机转速 为驱动转矩 为负载转矩 为加速 转矩 进电机升降速实施最佳控制 3 运动系统的要求 图1矩频特性和负载特性曲线 步进电机驱动系统除了从电机及其驱动装置出发考虑的 素外 还要考虑运动对象对驱动系统提出的要求 运动对象对驱 动系统提出的要求主要有允许启动转速范围 允许停车转速范围 僳负 取 取 潮 黝 撇 电 一一一一一 变流技术 Converter Techniques 及升速 降速等 保证运动系统符合柔性运动的要求 可见步进电机最佳升降速控制应首先从运动对象的要求出 发选择步进电机及其驱动装置 而步进电机的启动转速 最高转 速 停车转速 最高升速率 最高降速率等因素都能够满足运动系 统的要求 在此基础上实现最佳升降速的控制才具有实际意义 1 2最佳步进电机升降速的控制方法 1 步进电机及其驱动装置的选择 步进电机及其驱动装置的选择至关重要 是实现步进电机最 佳升降速控制的基础 应根据运动控制系统的各项要求选择步 进电机 其驱动装置的选择应该满足运动对象对系统提出的要 求 但不是本文的重点 本文阐述的重点是在步进电机及其驱动 装置已选定的前提下 如何实现最佳升降速的一种控制技术 2 获取步进电机的矩频特性曲线和负载特性曲线 步进电机的矩频特性可由步进电机的生产厂家的技术资料 获得 也可以通过步进电机矩频特性仪实际测取 如果条件允许 最好是采用实际驱动装置和步进电机实际测取 而负载特性可 以采用估算或实际测取获得 实际测取步进电机矩频特性和负 载特性时 应充分考虑驱动系统的最坏情况 以确保可行 图1 所示为本实验系统的矩频特性和负载特性 3 最佳升降速的控制 根据式 1 可对步进电机实施最佳升降速控制 但是步进电 机的实际工作中转速不是连续变化的 而是离散的 因此直接使 用式 1 对步进电机实施升降速控制 步进电机的步进时间与 步进电机的转速有如下关系 A Os 2 式中 f为步进时间 s 为步距角 n为步进电机转速 rpm 步进电机的升速过程如图2所 示 假设在tk时刻步进电机的转速为 根据式 2 可计算出步进电机走 完当前步所需要的时间At At t 一t 完成该步之后 如果加速 率为 rp m s SU Ftk Ot 3 图2步进电机升速曲线 1 Lj 即在时间At 内步进电机的转速由nk提升为 考虑步进 电机提升转矩对加速的限制 加速率应满足以下关系 375 At 4 即当前的最高加速率取决于ht 时间内步进电机的平均加速 转矩 如果步进电机速度控制采用左端点实现定时时刻的算 法 且在At 时问内认为步进电机的转速线性上升 即 n n 一t 5 经积分变换 式 4 可 写成 375 At 375 可见 步讲电机的最佳加速率由当 订转涑和下一步转速之间 电气自动化 2012年第34卷第5期 加速转矩的平均值以及驱动系统的转动惯量来决定 由于式 6 中含有未知的下一步转速 求解步进电机的最佳加速率 采用迭代方程 解法步骤如下 1 获取步进电机的矩频特性曲线和负载特性曲线 进一 步得到步进电机的加速转矩特性曲线Td n 2 由转速nk确定初始加速率 n 和当前步进 n l 3 At 3 算n I 凡 木At 4 计算加速率 5 如果加速率 的误差小于允许值 终止 迭代 得到最佳的加速 率 否则重复 3 4 步 6 迭代的收敛 性 当步进电机的矩频 特性为下垂曲线时 计算 375 nk d凡 二 图3加速率曲线图 最佳加速率的迭代运算是收敛的 在步进电机的有效转速范围内按一定的数据密度计算各转 速的最佳加速率 形成一个数据表格 存储在单片机内以便调用 可实现步进电机的最佳加速控制 应用上述算法计算出来本例 步进电机的最佳加速率曲线如图3所示 驱动系统的飞轮矩GD 0 045 N m 最佳减速控制与此类似 但要注意到减速时负 载转矩将成为减速的动力 而非阻力 1 3实验装置 为了验证步进电机最佳升降速控制 我们构建一个以32位 ARM7微处理器为控制器的实验装置 如图4所示 控制器采用 PHILIPS公司生产的基于ARM7TDMI S内核的32位嵌入式处 理器LPC2114 该处理器具有丰富的片内资源 如2个定时器 I2C接口 SPI接口 2个UART接口 PWM 实时时钟RTC 看门 狗 A D转换器 多路中断系统和数量较大的GPIO 给用户系统 设计带来较大方便 控制器32位数据宽度对提高控制精度十分 有利 同时CPU流水线设计使程序执行更快更流畅 实验步进 电机采用42BYGH023 步进电机驱动器DL一022M I 光电编码 器OSS一05 2C 步进电机的步距角为1 8 驱动器10倍细分 测速周期0 1 S 上位机PC通过串行口对单片机控制器下达指 令 单片机对步进电机进行升降速实时控制 同时检测步进电机 的转速和位置 并发送给上位机 上位机将接收到的数据存储记 录 同时采用图形曲线显示在屏幕上 由此研究升降速控制的 效果 LPC2114的P0 8端控制步进电机的转向 P0 9端控制步进 电机的速度 步进电机的转速控制采用单片机内部定时器TIM ER0控制 TIMER0配置为匹配中断MR0 MR1 其中MRO的数值 控制单片机输出脉冲的频率 决定步进电机速度的快慢 MR1为 使P0 9能输出脉冲而配置 其值可以是MR0的一半 光电编码 器A相信号由Po 10 P0 11输入到LPC2114 B相信号由P0 12 ElectricaI Automation 33 电气自动化 2012年第34卷第5期 变流技术 Converter Techniques 图4步进电机最佳升降速实验线路图 输入到LPC2114 P0 10设置为CAP1 0下降沿捕获中断 P0 11 设置为CAP1 1上升沿捕获中断 P0 12设置为GPIO 应用抗振 动M T测速方法 保证测速的准确性 测速的结果通过串口发 送到上位机 2实验结果及分析 实验结果如图5 6 所示 其中图5为启动转 速为100 rpm 给定转速 为720 rpm时步进电机的 升速曲线图 图6为启动 转速为300 rpm 给定转 速为720 rpm时步进电机 的升速曲线图 为了评 价步进电机最佳升速控 制的效果 我们对照指数 升速控制 图5 6中粗线 为最佳升速控制的曲线 细线为指数升速控制的 曲线 1 不失步的前提 下 最佳升降速控制比指 数升降速控制更有效地 利用步进电机的升速能 图5启动转速为 100 rpm时升速曲线图 O 500 1000 1 500 2O0 图6启动转速为 300 rpm时升速曲线图 使步进电机到达给定转速的时间较短 如表1所示 最佳升降速 控制的加速时间比指数升降控制的短得多 3 最佳升降速控制较指数升降速控制到达稳定转速的时 间要短 到达稳速之后步进驱动系统的转角线性增加 有利于位 置控制 而指数升降速控制到达稳定转速时间较长 在未到达稳 速之间步进电机的转角非线性增加 不利于位置控制 4 在运行时间相同的前提下 最佳升降速控制所走的步 数比指数升降速控制的要多 经测试 在启动转速为100 rpm 给 定转速为720 rpm的条件下 2 ooo ms内采用最佳升降速控制比 指数控制多走了大约5 000步 由此在步数一定的前提下 最佳 升降速控制所需的时间比指数升降速控制的要短 5 步进电机的启动转速越高 采用最佳升降速控制和指 数升降速控制的差异越小 最佳升降速控制能够充分利用步进电机的加速转矩 在保证 不失步的前提下减少系统的加速时间 有效提高步进驱动系统的 快速性 3结束语 步进电机按指定的升降速曲线进行控制未充分考虑步进电 机的驱动能力和负载的特性 因此无法充分发挥步进电机最大的 驱动能力 对此本文提出一种步进电机的最佳升降速控制的方 法 该方法由步进电机的矩频特性和负载特性获取驱动加速转 矩 结合步进电机的离散升降速过程 计算出步进电机的最佳升 降速率曲线 在此基础上实施步进电机最佳升降速控制 实验数 据表明该控制方法能够充分利用步进电机的驱动能力 有利于降 低系统的响应时间 提高步进驱动系统的快速性 参考文献 1 刘亚东 李从心 王小新 步进电机速度的精确控制 J 上海交通大 学学报 2001 35 1O 1517 1520 力 提高系统的动态响应速度 2 步进电机低速时最佳升降速控制和指数升降速控制的 升速率基本相同 但接近给定转速时最佳升降速的升速率较高 表1最佳升速与指数升速的加速时间 启动转速 rpm 加速时间 ms 最佳控制 指数控制 注 步进电机的给定转速为720 rpm 34 ElectricaI Automation 带上平 高高兴兴 同同彳 彳 孙耀杰 王丹 高丽哲 等 步进电动机升降速曲线的设计 J 微特电 机 2006 34 5 12 14 3 徐进 孙兴进 步进电动机最佳变速控制的单片机实现 J 上海电力 学院学报 2000 16 1 13 17 4 王勇 王伟 杨文涛 步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用 J 控制工程 2008 15 5 576 579 5 陈伟 步进电动机失步原因分析及解决办法 J 电气传动自动化 2009 31 5 55 56 6 陈爱国 黄文玲 杨红红 步进电机升降速曲线的研究 J 机电产品 开发与创新 2003 16 2 47 49 7 李英平 机床数控化改造中步进电机的选择 J 制造技术与机床 1996 46 4 41 44 8 李汉 一种光电编码器抗振动测速的方法 J 电气传动 2010 40 6 78 80 作者简介 李汉 1971一 男 海南儋州人 硕士 副教授 研究方向 主 要从事电气自动化的研究 安上路 载着幸福回家 出门去 平平安安回家来 咖 咖姗 娜 o 彻 o