基于自適應細分技術的步進電動機加減速控制

張曉旭，劉景林，舒宗燕

(西北工業大學，陜西西安710072)

0引 言

本系統研究背景是基于某二維運動機構的穩定控制。運動機構采用步進電動機驅動X(水平)方向和Y(垂直)方向的負載運行，為了實現二維運動機構的快速跟蹤和掃描，這就要求步進電動機頻繁地工作在加減速狀態，或者在某一恒速下維持跟隨運行，因此，控制系統既要保證步進電動機轉速的平滑切換，又要使電機在各個速度范圍都能穩定運行，這就對電機的加減速控制有著較高的要求。

然而，傳統上步進電動機加減速是在固定細分狀態下進行的，即細分數在加減速前后固定不變。這種方式不利于系統在寬速范圍下的穩定運行，存在局限性。若步進電動機在高細分狀態進行加減速，則低速性能優異，轉矩脈動噪聲也得到較好的抑制，但卻導致高轉速上不去，調速范圍窄;若電機工作在低細分狀態下，解決了高轉速問題，但在低速運行時會出現轉矩脈動、振蕩和噪聲，這顯然不符合二維運動機構的技術要求。因此本文擬通過把自適應細分技術(可變細分)引入到加減速控制中，來解決上述問題，實現二維機構在寬速范圍下的快速穩定跟蹤和掃描。

1自適應細分技術

步進電動機細分驅動的本質是通過對步進電動機勵磁繞組中電流的控制，使繞組中合成磁勢矢量等幅均勻旋轉。在低轉速下，細分技術對電機的穩定運行帶來十分顯著的效果，單個步距角被分為幾個微步來完成，以提高電機的運轉精度，進而實現步進電動機步距角的高精度細分，有效地遏制了轉子的振蕩和噪聲，因此，細分技術實質上也是一種電子阻尼技術。然而隨著電機轉速升高，電機轉子在前一步振蕩尚未到達回擺的最大值時，下一個脈沖就到來，甚至前一步振蕩尚未開始就進入了下一步，從而步進電動機的運行如同步電機一樣連續、平滑。假若此時依然對電機施加高細分就變得沒有太大意義，反而由于細分的電子阻尼作用使電機轉速升不上去，此外在高轉速、高細分狀態下，脈沖頻率很高，從而會加重脈沖發生器和環形分配器的工作壓力［1］。

基于上述問題，本文提出自適應細分驅動技術，即在不同的轉速范圍，實行不同的細分驅動模式。為了克服在低頻時步進電動機的轉矩脈動和噪聲大的缺點，使電機工作在高細分狀態下;隨著轉速的升高，電機的轉動逐漸趨于連續、平緩，細分數開始逐級減小［2］。因此自適應細分策略是，低轉速高細分，高轉速低細分，并且細分驅動主要集中在低轉速區，細分數的切換在低轉速區也相對頻繁，具體在不同轉速段對應多大的細分，跟步進電動機的類型和參數有關，也跟帶載情況有關，需要實驗測得。本系統根據電機的參數及動態特性，在保證電機平滑運轉的基礎上，測得轉速范圍和細分數的對應關系如表1所示。

表1 轉速細分表

2基于自適應細分的步進電動機加減速控制算法

傳統意義上，對步進電動機加減速控制的研究重點都停留在加減速曲線的選擇，或是基于某種曲線的加減速控制算法的編制和優化上，而且大部分是基于整步狀態或固定細分狀態的前提下進行研究的。在上述控制方法下，電機可能出現工作在高轉速、高細分狀態的情況，或出現工作在低速、低細分狀態的情況，這顯然與引入細分技術的初衷是相悖的，也不符合電機穩定運行的要求;另外，在一種固定細分下進行加減速，機構很可能在某一范圍遇到系統的共振點，而在變細分情況下，系統的脈沖頻率只在很小的范圍內變動，遇到共振點的幾率會大大降低，因此對步進電動機加減速控制算法的研究應該在自適應細分的基礎之上進行。

本算法首先要實現自細分驅動技術，它獨立于加減速過程，并且具有高優先級。在加減速過程中，由于加減速時間非常短，則細分數切換的響應速度需要更快，這就要求自適應細分程序有良好的實時性。本系統利用TMS320F2812的CUP定時器(Timer0)，把轉速細分表編制到該定時器中斷子程序中，并將中斷時間設為微秒級，保證算法響應的快速性和細分切換的及時性。

其次是加減速曲線的選擇，步進電動機的加減速曲線常用的有勻加減速曲線、指數規律加減速曲線和S型加減速曲線。由于指數規律加減速曲線與步進電動機的矩頻特性曲線接近，因而是本系統的理想選擇。系統按指數曲線加減速時，脈沖頻率f與時間t的關系如下:

式中:fm是步進電動機的最高運行頻率，τ是決定升速快慢的時間常數，其數值可由實驗測得。若步進電動機運行頻率為fn，則由式(1)可算出升速時間:

為了實時性的要求和編程方便，并不按照上式計算加速時間，而是對指數曲線進行離散化，離散后的速度并不是一直上升的，而是分為很多速度等級，加速軌跡呈階梯狀，且每上升一速度等級都要在該等級上保持一段時間，使電機加速充分。步進電動機在每個速度級保持的時間用電機步數表示，本系統把電機加速曲線離散化為12等級，如圖1所示。

在編程之前，做了大量實驗，根據指數離散化方法，同時結合電機參數特性，對各個速度等級進行逐級調試，測算出在每個等級停留的時間并換算成步進電動機步數，最終得到每個速度等級對應的加減速曲線數據，并將每個速度等級對應的步進電動機在整步狀態下的頻率值和步數制成表［4］。本系統離散化后的數據如表2所示。

圖1 指數離散化曲線

表2 指數曲線離散化數據表

執行加速控制時，根據每級的整步頻率和當前的細分數，計算出脈沖頻率，并送入DSP的定時器周期寄存器中，再查表找出該速度等級對應的電機步數，計算出該級總的脈沖個數并送入定時器的相關寄存器中，當步數減至零時，表明該等級已經走完，進入下一等級。以上是電機加速過程的處理方法，減速過程的處理同加速過程。

3加減速算法的系統實現

3．1硬件系統設計

控制部分以 TI公司定點 DSP芯片TMS320F2812為核心，DSP通過RS232接口與上位機進行通信，并接收X、Y維電機的起停、正反轉以及速度信號。TMS320F2812根據當前的速度信號判斷并確定細分數，通過I/O接口發送到驅動電路中，即可實現自適應細分功能［5］。

驅動部分采用兩套完全相同的功率器件分別控制X維和Y維電機。功率器件采用由美國NS公司生產的集成驅動模塊LMS18245，它內部集成了一個4位的D/A轉換器、過流傳感器和一個H橋功率輸出電路，大幅減少了功率部分的外圍電路，因此可以很容易完成對電機電流的數字控制，實現步進電動機的可變細分驅動。硬件系統機構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構圖

3．2 軟件編制

根據上述控制方法，軟件系統的編制主要集中在自細分功能和加減速功能的實現上。加減速的控制在自適應細分的基礎上實現，而自適應細分程序要獨立編制，并具有高優先級。本文采用TMS320F2812的CUP定時器中斷以實現自適應細分功能，并通過設置一個轉速全局變量V來反映當前的速度值，定時器中斷子程序對V所在的速度區間進行判斷，然后對細分數進行更新。為了保證實時性，定時器周期設為5 μs。細分中斷子程序流程如圖3所示。

圖3 細分中斷子程序

步進電動機驅動二維運動機構從一個位置運行到另一個位置的過程中，一般要歷經加速、勻速和減速三個階段，DSP需要根據距離信息，計算出加減速階段各個速度等級的加速步數、減速步數以及恒速階段的運行步數。另外，對于短距離運行，電機可能尚未上升到最高轉速就需要減速，即沒有進入恒速階段，恒速步數為零。利用TMS320F2812的EV(事件管理器)模塊可實現上述算法并控制電機運行，以X維電機為例，將加減速控制子程序放在定時器1的比較中斷子程序中，每當比較中斷發生時調用該子程序，并按上述算法更新 T1PR寄存器和T1CMP寄存器的值。電機加減速控制子程序流程如圖4所示。

圖4 電機加減速控制子程序

4實驗及結果

本系統電機選用兩相混合式步進電動機，額定激磁電壓為28 V，額定相電流為1 A，步距角為1．8°。為了對比自適應狀態下與固定細分狀態下步進電動機加減速的運行效果，二維運動機構分別工作在這兩種狀態下，并用示波器記錄該過程中TMS320F2812的T1PWM引腳輸出脈沖波形，如圖5所示。

圖5 固定和自適應細分加速脈沖波形對比

比較圖5(a)、圖5(b)兩圖可以看出，兩種情況下加減速的脈沖波形有所不同。在固定細分狀態下脈沖頻率是由低逐漸升高，脈沖頻率的變化范圍在0～3 000 Hz之間。而自適應細分狀態下脈沖頻率變化范圍較窄，大致徘徊在1 500～2 500 Hz之間，圖5(b)中頻率的跳變是由細分數變化和轉速變化共同作用完成的。另外在低速時，由于細分數高，脈沖頻率維持在2 000 Hz左右;在高速階段，盡管速度很高，但由于細分數很低，脈沖頻率也依然維持在2 000 Hz左右，這樣就大大減小了脈沖發生器和環形分配器的工作壓力。試驗結果表明，基于自適應細分的加減速控制算法可以實現在加減速過程中細分數的變化，電機在整個轉速范圍內運行穩定，速度切換平滑，轉矩波動和噪聲都得到不同程度的抑制。

5結 語

步進電動機的加減速控制在實際應用中具有重要的意義，合理的加減速控制算法可以大大提高步進電動機的運行性能。本文將自適應細分技術引入到步進電動機的加減速控制中，不僅實現了步進電動機的寬速運行，而且在加減速過程中能夠實現電機的平穩運行、抑制電機的轉矩波動和噪音，也降低了系統對脈沖發生器和環形分配器的要求。并通過實驗說明，基于自適應細分技術的步進電動機加減速控制算法可行并且有效，因而具有實際應用價值。

［1］ 陳隆昌，閻治安．控制電機［M］．第三版．西安:西安電子科技大學出版社，2000．

［2］ 趙勇，車建國．步進電機多級細分驅動方法研究［J］．江蘇電機工程，2003，22(1):23-25．

［3］ 常東來．步進化伺服系統輸入信號的設計［J］．微電機，1999，32(2):24-25．

［4］ 李海波，何雪濤．步進電機升降速的離散控制［J］．北京化工大學學報，2003，30(1):92-94．

［5］ 王瑾．基于DSP和CAN總線的步進電機控制系統研究［J］．電子測量技術，2009，32(1):112-115．