步進電機升降速控制技術的研究

摘 要:介紹了步進電機的矩頻特性，角加速度的變化規律以及各種升降速速度控制方案。通過離散方法，實現了對步進電機升降速的過程進行了控制，并利用C語言實現了單片機對步進電機升降速的離散控制。

關鍵詞:步進電機單片機離散控制

中圖分類號:TM3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0061-01

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移(或線位移)的電磁機械裝置[1]。在實際應用過程中，步進電機的速度并不是一次升到位后以恒定速度運行。它對運行的速度是有要求的，步進電機升(降)速時，應使頻率的變化量逐次遞增(或遞減)，若步進電機脈沖頻率變化不合理，就會使電機失步或過沖，無法做到準確定位。從步進電機的矩頻特性可以知道啟動頻率越高，啟動轉矩越小，限制了步進電機的最高工作頻率，并在起動頻率越快時，又可能發生失步。因此，在步進電機中應采取升降速控制技術。

1 步進電機的點一位控制

步進電動機的位置控制需要兩個參數。第一個參數是步進電動機控制的執行機構當前的位置參數，我們稱為絕對位置。絕對位置是有極限的，其極限是執行機構運動的范圍，超越了這個極限就應報警。第二個參數是從當前位置移動到目標位置的距離，我們可以用折算的方式將這個距離折算成步進電動機的步數。對步進電動機位置控制的一般作法是:步進電動機每走一步，步數減1，如果沒有失步存在，當執行機構達到目標位置時，步數正好減到0。因此，用步數等于0來判斷是否移動到目標位，作為步進電動機停止運行的信號。絕對位置參數可作為人機對話的顯示參數，或作為其他控制目的的重要參數，因此也必須要給出。

2 步進電機加減速速度曲線方案選擇

步進電機的理想加減速曲線為非線性曲線。目前國內外使用較多的加減速控制方法主要有三種:直線型加減速速度曲線、指數型加減速速度曲線、S型加減速速度曲線三種。直線型加減速速度曲線，這種升降速控制方法的主要優點是數學表達簡單，計算簡單，節省資源，其主要缺點是在加速過程開始和結束時速度是突跳變的，加速度的突跳變意味著驅動力的突變，由此帶來的沖擊較大，步進電機驅動系統中可能造成失步現象;指數型加減速曲線，比較符合電機的轉矩特性，數學表達相對簡單，可以實時計算，加減速終了時加速度突變小，沖擊較小。其不足是啟動過程仍然存在較大沖擊，加減速過程結束時速度變化是漸進線的，變化過程太大，需要進行一些修正處理，適用于控制系統處理速度快且對升降速過程要求較高的場合;S型加減速曲線，其特點是轉矩性能最好，啟動和結束都是連續可導的，因此具有平穩精確的加減速性能。其主要不足是數學表達復雜，主要適用于加減速的平穩性要求最高的場合。

比較以上幾種加減速控制方法，考慮到編程實現的難易程度等因素，選用指數型加減速速度曲線來實現對步進電機的加減速控制。將指數型加減速曲線離散化。

3 步進電機的指數型加減速曲線控制算法實現

用單片機實現步進電機的變加速度控制，實際上就是控制脈沖的頻率，升速時使脈沖頻率增高，減速時使脈沖頻率降低。一般采用軟件延時法和定時器法來確定脈沖的周期:軟件延時法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率，其中延時的長短是動態的，軟件法在電機控制中，要不停地產生控制脈沖，占用了大量的CPU時間，使單片機無法同時進行其他工作;定時器法是利用單片機內部的定時器來實現的，在每次進入定時中斷后，改變定時常數，在升速時使脈沖頻率逐漸增大，減速時使脈沖頻率逐漸減小，這種方法不占用CPU運行時間，比較適用。

為了減少每級計算裝載定時器值的時間，將電機在每一級速度下運行的時間轉換為相應的步數，存儲在一個數組中，固化在系統的EPROM中，在需要時直接查表即可。以步數代替時間，使得對電機的控制更加方便，易于編程實現，也大大減少占用CPU運算的時間，提高系統響應速度。設計升速、減速過程的總步數25步，電動機升速過程中，一直對這個總步數進行遞減操作，當減至零時表示升速過程完畢，轉入恒速運行;電動機恒速運行過程中，一直對這個總步數進行遞減操作，當減至零時表示恒速過程完畢，開始轉入減速運行。減速運行步數與升速總步數相同，只是按相反的順序進行即可。步進電機加減速速度控制算法流程圖如圖1所示。

4 結語

采用本文所提出的指數型加減速曲線控制算法對步進電機進行控制。步進電機在工作頻率內運行穩定，實驗中未出現失步、跳步或其他異常現象。

參考文獻

[1]劉曉山.單片機在步進電機控制系統中的應用[B].機電工程技術，2004.

[2]劉寶志.步進電機的精確控制方法研究[碩士學位論文].山東大學，2010.