步進(jìn)電機升降速曲線控制方法

     在一些控制簡單或要求低成本的運動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常用步進(jìn)電機做執(zhí)行元件。步進(jìn)電機在這種應(yīng)用場合下最大的優(yōu)勢是：可以開環(huán)方式控制而無需反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制。但也正是因為負(fù)載位置對控制電路沒有反饋，步進(jìn)電機就必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng)，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負(fù)載位置相對控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖現(xiàn)象。因此步進(jìn)電機開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵。

失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進(jìn)電機啟動和停止的時候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已超過極限啟動頻率而不能正常啟動，輕則可能發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行起來以后，如果達(dá)到終點時立即停止發(fā)送脈沖串，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性作用，電機轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過平衡位置，如果負(fù)載的慣性很大，會使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到接近終點平衡位置的下一個平衡位置，并在該位置停下。

為了克服失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)在步進(jìn)電機啟停時進(jìn)行如圖1所示的升降速控制。

從圖 1 可以看出，L2段為恒速運行，L1 段為升頻，L3段為降頻，按照“失步”的定義， 如果在 L1 及 L3 段上升及下降的控制頻率變化大于步進(jìn)電機的響應(yīng)頻率變化，步進(jìn)電機就會失步，失步會導(dǎo)致步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)，經(jīng)常會影響系統(tǒng)的正常工作，因此，在步進(jìn)電機變速運行中，必須進(jìn)行正確的升降速控制。

以下按不同的控制單元，介紹幾種常用的步進(jìn)電機升降速控制方法。

1、運動控制卡作上位控制單元——以MPC01系列運動卡為例

MPC01系列運動控制卡可以作為PC機運動控制系統(tǒng)的核心控制單元?？ㄉ系膶Ｓ眠\動控制芯片可自動進(jìn)行升降速計算。其運動控制函數(shù)庫中也有專門進(jìn)行梯形升降速運動參數(shù)設(shè)置的函數(shù)——set_profile(int ch, double ls, double hs, double accel)。其參數(shù)定義如下：

ch: 設(shè)定的軸號。

ls: 設(shè)定低速（起始速度）的值。 單位為pps（脈沖/秒）

hs: 設(shè)定高速（恒速段）的值。單位為pps（脈沖/秒）

accel：設(shè)定加速度大小。單位為ppss（脈沖/秒/秒）

用戶在調(diào)用運動指令函數(shù)時，只需指定總的脈沖數(shù)， 運動控制卡上的專用運動控制芯片便按照set_profile函數(shù)設(shè)置的運動參數(shù)自動進(jìn)行升降速計算，而不會占用PC機的CPU資源。

2、用具有運動控制功能的PLC做上位控制單元——以松下FP0系列PLC為例

松下FP0系列PLC具有專用的運動控制指令，其CPU單元可自動進(jìn)行圖1所示的升降速計算。和MPC01系列運動控制卡相似，用戶只需設(shè)置梯形速度的初速度ls、恒速hs、加速時間t和所需發(fā)的脈沖數(shù)P。運行此程序段，當(dāng)PLC檢測到輸入端X2的一個上跳變時，便自動執(zhí)行如圖1所示的升降速脈沖輸出功能。

3、用單片機做上位控制單元

采用微機對步進(jìn)電機進(jìn)行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。采用定時器中斷方式控制電機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。

單片機在控制電機加減速的過程中，一般用離散方法逼近理想的升降速曲線。加減速的斜率在直線加速過程中，速度不是連續(xù)變化，而是按分檔階段變化，為與要求的升速斜率相逼近，必須確定每個臺階上的運行時間，見圖3。時間Δt越小，升速越快，反之越慢。Δt的大小可由理論或?qū)嶒灤_定，以升速最快而又不失步為原則。每個臺階的運行步數(shù)為為Ns=fsΔt=sΔN，反映了每個速度臺階運行步數(shù)與當(dāng)前速度s之間的關(guān)系，程序執(zhí)行過程中，每次速度升一檔，都要計算這個臺階應(yīng)走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查，當(dāng)減至零時，該檔速度運行完畢，升入又一檔速度。

電機在升速過程中，對升速總步數(shù)進(jìn)行遞減操作，當(dāng)減至零時升速過程結(jié)束，轉(zhuǎn)入勻速運轉(zhuǎn)過程。減速過程的規(guī)律與升速過程相同，只是按相反的順序進(jìn)行。在步進(jìn)電機的啟停過程中，根據(jù)控制系統(tǒng)的具體特點，采用上述三種升降速控制方式之一，都可以避免電機失步或過沖，達(dá)到比較精確的控制。