单片机控制的步进电机自适应调速方法_孙侃.pdf解决方案.docVIP

— 32 — 电子与自动化 1999 年第 1 期 单片机控制的步进电机自适应调速方法 孙 侃 (广东中山大松通用机电有限公司技术开发部, 528437) 摘 要 介绍了步进电机速度自适应控制实现的机理, 步进电机分段变速控制中频率运行代 码、与频率运行代码相对应的最高运行频率、最小运行步长三者的对应关系, 最后介绍了程序设计 方法。 这种由单片机实现的步进电机自适应调速方法已得到实际应用, 取得了较满意的结果。 关键词 步进电机 单片机 自适应调速 变频信号源 　　步进电机的变速控制 ———自动加/减速 控制 ,是步进电机的基本变速方式 ,常用于位 置控制场合。在这种场合 ,要求步进电机对 运动对象进行步长长度不等的实时位置控 制,通常步长的变化范围还很大,如何利用这 个基本变速方式进行有效的不失步控制, 以 满足控制的“快而不失步”的实际需要 ,是步 进电机开环控制的中心问题。对步长较大的 定位控制 ,可以使步进电机总是以等高、等腰 梯形的升降频曲线轨迹来运行 ,梯形曲线的 高度就是步进电机恒频段的最高运行频率, 它与步长无关;而当步长较小时,这个恒频段 最高运行频率与步长大小是否也没有关系 呢? 本文就这个问题 , 对步进电机在步长较 大和较小的位置控制中, 如何实现位置的速 度自适应控制进行讨论。 1. 步进电机控制系统 步进电机控制系统如图 1 所示。变频信 号源是一个脉冲频率由几赫到几千赫可连续 变化的信号发生器, 它为脉冲分配器提供脉 冲序列。脉冲分配器则根据方向控制信号把 脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲驱动放 大器上进行放大, 以驱动步进电机的转动。 因此变频信号源产生的脉冲序列是步进电机 控制的基础。本文要阐述的就是由单片机系 统实现的变频信号源产生的脉冲序列如何满 足步进电机速度自适应控制的思路和方法。  图 1 步进电机控制图 2. 步进电机速度自适应控制实现的 机理 我们知道步进电机的转速可用下式表示 (以反应式步进电机 、负载不变的情形为例): n =60ZNf (r/min) 式中 f 为控制脉冲的频率, Z 为转子齿数, N 为运行拍数。由上式可见步进电机转速取决 于脉冲频率、转子齿数和拍数。当转子齿数 一定时,转子旋转速度与输入脉冲频率成正 比。在负载能力范围内 , 这些关系不因电源 电压、负载大小、环境条件的波动而变化, 仅 与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步 数,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会 积累 ,且改变脉冲频率就可以改变转速 ,故可 进行调速, 调速范围很宽。在实际的步进电 机位置控制中 ,也不可避免地遇到调速问题。 为了使步进电机在运行中不出现失步现象 , 一般要求其最高运行频率应小于(或等于)步 进电机响应频率 f s , 在该频率下 , 步进电机 可以任意起动、停止或反转而不发生失步现 象,并且在控制中常采用如图 2 所示的梯形 图式的升降频变速控制方式, 即先低速启动 , 1999 年第 1 期 电子与自动化— 33 — 高速运转 ,然后降低速度 ,最后停止。因此在 步进电机的位置控制中, 存在着两类不同的 情形 ,一类是:当步进电机要行走的步长较长 时,由于行走的距离长,可以让其运行在很高 的频率上, 甚至可以运行在最高响应频率 f s 处,在梯形图上表现为以 f s 为高度的梯形曲 线,也就是在大距离的位置控制时 ,步进电机 可以而且最好是运行于最高响应频率 f s 处, 并不受步长的制约。另一类情形就不同了, 当步进电机运行的步长小到某一步长 L s 后,由于走过的距离短,如果仍然以不变的最 高响应频率运行 ,显然步进电机在运行中就 会失步 ,这是不能允许的, 必须加以避免, 折 衷的办法只能是让步进电机降低频率运行, 这个频率本文且记为 f si 。毫无疑问, 这个 f si 是随着步长的不同而不同的 ,并且 f si 正比于 步长 ,步长大时, f si 就大, 步长小时 f si 就小。 因此在步长变得较小后, 在步进电机的梯形 曲线图上必然存在着一个个高度不等的升降 频曲线。如果根据实际的控制需要, 按照步 长分段选择一些必要的升降频率曲线, 控制 时随着不同的行走步长自动地选择合适的曲 线来运行 ,便可解决快速而不失步的矛盾了。 因此 ,由这些高度不等的升降频曲线,我们自 然就引出了“步进电机分段变速控制” 的方 法。为了很好地说明这种方法 ,还须引进“最 小步长”和“频率运行代码”的概念。 最小步长 ———在步长较小时, 若选定某 一最高运行频率 f si ,在这个 f si下步进电机不 失步所能行走的最小距离(步长)。 频率运行代码———选定某 -f si ,对应于 这