步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究

1、.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究摘要 隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和高速的更新?lián)Q代，作為機(jī)電一體化進(jìn)程中制造出來的一種主要產(chǎn)品的步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)量和數(shù)量也逐漸增多。而且對于步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也是是十分廣泛的，比如很多的自動控制系統(tǒng)中大部分都會涉及到步進(jìn)電機(jī)的使用。眾所周知，對于步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用方面的優(yōu)勢也是十分明顯的，比如在對一些頻帶寬度較大的脈沖信號的控制，以此控制來實現(xiàn)對點擊相關(guān)部件的速度調(diào)節(jié)上，實現(xiàn)速度控制以及相關(guān)部件的啟動和停止，或者是控制相關(guān)部件的正向或者反向轉(zhuǎn)動。另外一個很大的優(yōu)勢就是步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)整個構(gòu)件開環(huán)系統(tǒng)不僅僅結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便易行，而且造價低廉，工作性能相當(dāng)穩(wěn)定可靠。 當(dāng)前對步進(jìn)電機(jī)

2、的研究焦點主要集中在對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制上，然而驅(qū)動控制也是步進(jìn)電機(jī)的一個重要的關(guān)鍵技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)在很多的行業(yè)和領(lǐng)域里都有廣泛的應(yīng)用。對于步進(jìn)電機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究國內(nèi)很多的專家和學(xué)者都從不同角度不同側(cè)面給出了詳細(xì)的論斷。隨著要求縮短步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)時間、提高運(yùn)行速度等問題的提出，國內(nèi)外的研究人員針對速度控制，提出了建立在線性速度模型和指數(shù)速度模型等數(shù)學(xué)模型上的控制方式，但都存在一定的問題；當(dāng)解決要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率，或者為減小步進(jìn)電機(jī)本身所固有的低頻振動、噪聲等問題時，出現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，目前較為常見的有斬波恒流驅(qū)動、脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動

3、等技術(shù)，這些驅(qū)動技術(shù)雖能滿足特定場合的技術(shù)要求，但缺乏一定的靈活性。 本文的主要研究內(nèi)容如下：對步進(jìn)電機(jī)及其細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，研究了步進(jìn)電機(jī)的工作原理、運(yùn)行性能，分析了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的作用和適用性，并對國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的研究作了簡要介紹。研究了步進(jìn)電機(jī)在加減速控制過程中脈沖頻率曲線的設(shè)計和他們的優(yōu)缺點，并提出以步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)模型和矩頻特性為依據(jù)，推導(dǎo)出其加減速控制過程中的線性加正弦函數(shù)，在不發(fā)生失步和過沖的前提下，能夠縮短步進(jìn)電機(jī)的加減速時間，提高運(yùn)行速度，充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能。為解決消除電機(jī)的低頻振蕩，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、分辨率和步距的均勻度，解決步進(jìn)電機(jī)高

4、精度細(xì)分和平滑運(yùn)行、動態(tài)適應(yīng)多級細(xì)分的技術(shù)難題，研究了步進(jìn)電機(jī)的傳統(tǒng)控制方法和細(xì)分控制原理，在控制方法上，本文通過分析兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理，推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上提出了電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)與可變細(xì)分相結(jié)合的控制策略，提出了一種新的趨圓自適應(yīng)驅(qū)動模型，并給出了控制方法。通過實時計算的方式控制各相繞組電流，使其按階梯正旋規(guī)律改變大小和方向，實現(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)一個整步均勻地分為若干個更細(xì)的微步，改變了以往細(xì)分控制參數(shù)需要事先計算的方式，節(jié)省了存貯空間，并能動態(tài)的適應(yīng)多級細(xì)分的情況。最后，通過模擬仿真等方法的試驗研究，證明了這種模型和方法的可行性。本文的研究對于計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)的速度

5、控制和細(xì)分驅(qū)動控制方式的深入研究，拓寬步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域具有積極的意義。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；速度控制；細(xì)分驅(qū)動；自適應(yīng)；仿真第一章緒論1.1步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)初，在電話自動交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。由于西方資本主義列強(qiáng)爭奪殖民地，步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)

6、用在步進(jìn)電機(jī)上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。 步進(jìn)電機(jī)相對于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號(電脈沖信號)并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。 我國

7、的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機(jī)不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1.2步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)及發(fā)展概況 作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器)。在微電子技術(shù)，特別計算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前，控制器(脈沖信號發(fā)生器)完全由硬件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。這就使得需要針對不同的

8、電機(jī)開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步迸電機(jī)的推廣。由于步進(jìn)電機(jī)是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機(jī)械運(yùn)動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動硬件電路。單片機(jī)通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出了電機(jī)的潛力。因此，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢吲。步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型，在我國所采用的步進(jìn)電機(jī)中以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。步進(jìn)電

9、機(jī)的運(yùn)行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：1.開環(huán)控制系統(tǒng)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)3.半閉環(huán)控制系統(tǒng) 目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。1.2.1開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)最簡單的控制方式就是開環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖11所示：在這種控制方式下，步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的輸入并不依賴于轉(zhuǎn)子的位置，而是按一個固定的規(guī)律發(fā)出控制脈沖，步進(jìn)電機(jī)僅依靠這一系列既定的脈沖而工作，這種控制方式由于步進(jìn)電機(jī)的獨特性而比較適合于控制步進(jìn)電機(jī)，適合于我國的國情。這種種控制方式的特點是：控制簡單、實現(xiàn)容易、價格較低，這種控制方式特別在開環(huán)控制中，負(fù)載位置對控制電路沒有

10、反饋，因此，步進(jìn)電機(jī)必須正確地響應(yīng)每次勵磁的變化，如果勵磁變化太快，電機(jī)不能移動到新的位置，那么實際負(fù)載位置與理想位置就會產(chǎn)生一個偏差，在負(fù)載基本不變時，控制脈沖序列的產(chǎn)生較為簡單，但是在負(fù)載的變化可能較大的場合，控制脈沖序列的產(chǎn)生就很難照顧全面，就有可能出現(xiàn)失步等現(xiàn)象。目前隨著微處理器應(yīng)用的普及，依靠單片機(jī)，可以實現(xiàn)一些復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖序列的產(chǎn)生。但是開環(huán)控制仍存在以下問題阻：1) 起動受到限制。一般要通過控N#l-力n的速度設(shè)定按一定的升速規(guī)律實現(xiàn)起動，必須有足夠長的升速過程。這導(dǎo)致它在速度變化率較大的場合的使用受到限制。2) 系統(tǒng)存在振蕩區(qū)，在使用中必須避開振蕩點，否則速度波動很

11、大，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致失步。3) 抗負(fù)載波動的能力較差。如果負(fù)載出現(xiàn)沖擊轉(zhuǎn)矩，電機(jī)可能失步或堵轉(zhuǎn)。所以，一般不能滿載運(yùn)行，必須留有足夠的余量。這導(dǎo)致電機(jī)的容量得不到充分利用。以上情況限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍，因為在許多應(yīng)用場合，希望提高電機(jī)的快速性，要求電機(jī)的加速時間越短越好。而在開環(huán)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的速度完全決定于輸入脈沖頻率，其輸入脈沖序列是預(yù)先設(shè)定的，不依賴于電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置而調(diào)節(jié)，不能保證每步都能在最佳切換角切換。因而，很難以最短的時間達(dá)到正常工作要求速度，并且易發(fā)生失步。但由于它較易實現(xiàn)，價格低廉，所以目前所采用的控制方式大多數(shù)為開環(huán)控制。而對于其失步和精度問題的根本解決途徑是建立合理

12、的脈沖序列控制數(shù)學(xué)模型，求出合理有效的控制函數(shù)。1.2.2翻環(huán)控制由于步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)存在精度不高、丟步等缺點，所以在精度要求較高的場合可以采用步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)n3，其原理框圖如圖1.2所示：這種控制方式是直接或間接地檢測出轉(zhuǎn)子(或負(fù)載)的位置或速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣拥亟o出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖序列，這個驅(qū)動脈沖序列是根據(jù)負(fù)載或轉(zhuǎn)子的位置而隨時變化的。這種控制方式的實現(xiàn)方法很多，在要求精度很高的場合，結(jié)合加減速過程控制技術(shù)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，可以實現(xiàn)很高的位置精度要求。但這種控制方式也有一些問題，例如，閉環(huán)的實現(xiàn)需要增加高精度的檢測、反饋及控制元件，使整一個伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)變得復(fù)雜

13、，且價格急劇上升，甚至使步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的低價優(yōu)勢喪失。另外，還有系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題。為了改善步進(jìn)電機(jī)失步，高速扭矩衰減等問題，采用有源阻尼和無編碼器堵轉(zhuǎn)檢測技術(shù)的閉環(huán)步進(jìn)控制技術(shù)正逐步得到應(yīng)用，并已有相應(yīng)的產(chǎn)品推向市場，如Oriental公司的Q Step系列產(chǎn)品、Parker Hannifancompumotor公司的Gemini系列細(xì)分驅(qū)動產(chǎn)品等。經(jīng)過持續(xù)的改進(jìn)和升級，堵轉(zhuǎn)檢測和抗諧振技術(shù)將與今天的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)一樣得到普及嘲，從而使步進(jìn)電機(jī)性能得到大大提升。但在這個研究方向上，技術(shù)上一直沒有太大的突破，也還不成熟，還沒有得到很廣泛的應(yīng)用。但是這將是以后步進(jìn)電機(jī)控制的發(fā)展趨勢。1.2.3步進(jìn)電

14、機(jī)加減速過程控制技術(shù)正因為步進(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進(jìn)脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步：在停止或減速時由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步，提高工作頻率，要對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進(jìn)電機(jī)是借助它的同步力矩而啟動的，為了不發(fā)生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運(yùn)行頻率可能相差十倍之

15、多。步進(jìn)電機(jī)的起動頻率特性使步進(jìn)電機(jī)啟動時不能直接達(dá)到運(yùn)行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速。停止時運(yùn)行頻率不能立即降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。從步進(jìn)電機(jī)的頻率一力矩曲線(圖13)可知，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負(fù)載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進(jìn)電機(jī)快速的達(dá)到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量

16、的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點運(yùn)行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。目前，國內(nèi)外的科技工作者對步進(jìn)電機(jī)的速度控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，建立了多種加減速控制數(shù)學(xué)模型，如指數(shù)模型、線性模型等，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了多種控制電路，改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動特性，推廣了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。指數(shù)加減速考慮了步進(jìn)電機(jī)固有的矩頻特性，既能保證步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動中不失步，又充分發(fā)揮了電機(jī)的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機(jī)負(fù)載的變化，很難實現(xiàn)：而線性加減速僅考慮電機(jī)在負(fù)載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關(guān)系，不因電源電壓、負(fù)載環(huán)境的波動而變化的特性

17、，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨速度變化的特性，步進(jìn)電機(jī)在高速時會發(fā)生失步。綜上所述，為縮短步進(jìn)電機(jī)的加速時間，在不發(fā)生失步和過沖的前提下，應(yīng)盡量提高其運(yùn)行速度，才能充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能。這就需要繼續(xù)在步進(jìn)電機(jī)的速度控制技術(shù)方面進(jìn)行研究，找到盡可能合理的加減速控制數(shù)序模型，方便微處理器的控制要求，進(jìn)一步提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行效率。1.2.4步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制步進(jìn)電機(jī)由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)決定，但轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)是有限的，因此步進(jìn)電機(jī)的步距角一般較大并且是固定的，步進(jìn)的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運(yùn)行時振動，噪音

18、比其他微電機(jī)都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進(jìn)電機(jī)只能應(yīng)用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能采取閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些缺點嚴(yán)重限制了步進(jìn)電機(jī)作為優(yōu)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動技術(shù)。1975年美國學(xué)者TRFredriksen首次在美國增量運(yùn)動控制系統(tǒng)及器件年會上提出步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的二十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動得到了很大的發(fā)展。逐步發(fā)展到上世紀(jì)九十年代完全成熟陽3。我國對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究，起步時間與國外相差無幾

19、。在九十年代中期的到了較大的發(fā)展。主要應(yīng)用在工業(yè)、航天、機(jī)器人、精密測量等領(lǐng)域，如跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀、軍用儀器、通訊和雷達(dá)等設(shè)備。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機(jī)的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設(shè)計帶來了方便。目前在步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動叫、脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動n引、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制，大大提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。最初，對步進(jìn)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，通常采用兩種方法：(1)采用多路功率開關(guān)電流供電，在繞組上進(jìn)行電流疊加，這種方法使功率管損耗少，但由于路數(shù)多，所以器件多，體積大。(2)先對脈沖信號疊加，

20、再經(jīng)功率管線性放大，獲得階梯形電流，優(yōu)點是所用器件少，但功率管功耗大，系統(tǒng)功率低，如果管子工作在非線性區(qū)會引起失真。由于本身不可克服的缺點，因此目前已很少采用這兩類方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的新局面。用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路不僅減小控制系統(tǒng)的體積、簡化電路、同時還提高了細(xì)分精度和控制系統(tǒng)的智能化，從而使細(xì)分驅(qū)動技術(shù)得到推廣。細(xì)分驅(qū)動可以明顯的提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時提高約30-40。在實現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動后，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，相應(yīng)的提高了電機(jī)的分辨率，使其更能滿足精確控制的需要。步進(jìn)電機(jī)控

21、制器的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在三個層面：硬件方案、核心控制算法以及應(yīng)用軟件功能。國內(nèi)運(yùn)動控制器所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距，有的甚至更加先進(jìn)。與歐美發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)運(yùn)動控制器的差距主要體現(xiàn)在控制算法和二次開發(fā)平臺的易用性方面。許多歐美運(yùn)動控制器制造商歷經(jīng)多年積累，提供了許多先進(jìn)的控制算法，如伺服調(diào)節(jié)、PvT算法、樣條插補(bǔ)、反向運(yùn)動學(xué)算法、龍門雙驅(qū)動算法、空間圓弧插補(bǔ)、速度前瞻和軌跡擬合等n們n副。但出于技術(shù)保護(hù)，國內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)控制在核心控制算法方面還存在較大差距，也還處于起步階段。目前國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的也稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分：1“平滑”并不精確控制

22、電機(jī)的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以”平滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用來精確定位的；2電機(jī)的相電流被平滑后，會引起電機(jī)力矩的下降，而細(xì)分控制不但不會引起電機(jī)力矩的下降，反而會使力矩增加。適當(dāng)?shù)募?xì)分控制函數(shù)很難找到一種統(tǒng)一而簡便的函數(shù)表達(dá)式，只能采取近似的方法。如采用已知的函數(shù)波形進(jìn)行近似，有關(guān)研究和實驗證明，對于兩相雙極型混合式步進(jìn)電機(jī)，采用正余弦形的驅(qū)動電流較為理想，而對于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般采用諧波較少的階梯型驅(qū)動電流較為理想：但這些近似只能應(yīng)用在精度要求不太高的情況下。也有采用實驗逼近法的，通過多次測試，并修正數(shù)據(jù)，得到細(xì)分的階梯波：但精度與測量手段關(guān)系很大而且實施起來復(fù)

23、雜，般精度較低。也有采用函數(shù)模型的(通過插值法和函數(shù)擬合得到)，先通過試驗獲得特定系統(tǒng)的細(xì)分波形數(shù)據(jù)，再通過數(shù)學(xué)處理找到此系統(tǒng)的細(xì)分控制模型函數(shù)，通過此函數(shù)確定輸出的細(xì)分電流n"，這種方法對于特定的系統(tǒng)而言，能夠達(dá)到較高的精度要求；但在要求實現(xiàn)多級細(xì)分控制的場合下(如負(fù)載可變的情況)，無法實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)整。上述傳統(tǒng)的細(xì)分控制方法是：提前計算細(xì)分控制電流參數(shù)放入寄存器中供程序調(diào)用。這樣以來，增加了空間上的成本，程序設(shè)計較為繁瑣，在要求多級細(xì)分的控制場合，其存儲空間的增加和程序設(shè)計的復(fù)雜程度將是不可接受的。1.3本文研究的意義和主要內(nèi)容盡管步進(jìn)電機(jī)的精確控制方面的研究是一個熱點課題，在步進(jìn)

24、電機(jī)控制研究的兩個方面：加減速過程控制和細(xì)分驅(qū)動技術(shù)上，取得了大量的研究成果，雖然提出了種種技術(shù)理論和實現(xiàn)方案，但都存在有一定的局限性，一個靈活的，適應(yīng)性強(qiáng)的核心控制算法和可行方案還是有很大的研究空間的。本文研究了步進(jìn)電機(jī)在加減速控制過程中脈沖頻率曲線的設(shè)計和他們的優(yōu)缺點，并提出以步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)模型和矩頻特性為依據(jù)，推導(dǎo)出其加減速控制過程中的線性加正弦函數(shù)，縮短步進(jìn)電機(jī)的加速時間，在不發(fā)生失步和過沖的前提下，盡量提高其運(yùn)行速度，充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能。在細(xì)分驅(qū)動技術(shù)方面，為解決消除電機(jī)的低頻振蕩，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、分辨率和步距的均勻度，解決步進(jìn)電機(jī)高精度細(xì)分和平滑運(yùn)行的技術(shù)難題，并能適

25、應(yīng)多級細(xì)分的技術(shù)要求，研究了步進(jìn)電機(jī)的傳統(tǒng)控制算法和細(xì)分控制原理。通過分析兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理，推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上提出了電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)與可變細(xì)分相結(jié)合的控制策略，提出了一種新的趨圓自適應(yīng)驅(qū)動模型，并給出了控制方法。通過實時計算的方式控制各相繞組電流，使其按階梯正旋規(guī)律改變大小和方向，實現(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)一個整步均勻地分為若干個更細(xì)的微步，改變了以往細(xì)分控制參數(shù)需要事先計算的方式，節(jié)省了存貯空間，并能動態(tài)的適應(yīng)多級細(xì)分的情況。第二章步進(jìn)電機(jī)的速度控制2 .1步進(jìn)電機(jī)速度控制的必要性步進(jìn)電機(jī)可以使用脈沖信號直接進(jìn)行開環(huán)定位控制，具有一定的精度：而且控制線路簡單，使用方便、可靠。合

26、理選擇步進(jìn)電機(jī)的升降速運(yùn)行曲線，在不失步和不發(fā)生過沖的前提下，盡量提高其運(yùn)行速度，對于充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能，有著十分重要的意義。在實際的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中，尤其在要求快速響應(yīng)的系統(tǒng)中，其關(guān)鍵問題是如何保證步進(jìn)電機(jī)在頻繁啟停、頻率發(fā)生突變的高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不發(fā)生堵轉(zhuǎn)和失步。而堵轉(zhuǎn)和失步的發(fā)生，與步進(jìn)電機(jī)的變速特性，即與步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的變化規(guī)律有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的速度控制曲線不但影響電機(jī)運(yùn)行的升降速度，還影響整個系統(tǒng)的平穩(wěn)性、運(yùn)行噪聲和定位精度。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率較低，而要求的運(yùn)行速度又較高，如果系統(tǒng)以要求的速度直接啟動，會因速度已超過極限啟動頻率而不能正常啟動，發(fā)生堵轉(zhuǎn)或根本不能運(yùn)行的

27、情況。系統(tǒng)運(yùn)行到終點時突然停止，則會因系統(tǒng)的慣性，出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，使控制發(fā)生偏離。因此，在控制的過程中運(yùn)行速度需要有一個升速恒速一降速一停止的過程。系統(tǒng)在要求快速響應(yīng)時，必須要求升降速過程時間盡量地縮短，使步進(jìn)電機(jī)在不失步條件下，以最短的時間升降到給定速度。由步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性可知，步進(jìn)電機(jī)在變速運(yùn)行時，既要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時也要克服變速所引起的系統(tǒng)慣性轉(zhuǎn)矩。由步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，脈沖頻率越高，電磁轉(zhuǎn)矩就越?。和瑫r，角加速度越大，引起的系統(tǒng)慣性轉(zhuǎn)矩越大，故其直接起動頻率限制在一個有限值上。如果起動頻率大于這一有限值，步進(jìn)電機(jī)就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。因此，步進(jìn)電機(jī)在高速下運(yùn)行時，必須在低于或等于起動

28、速度下起動，然后，逐步增大脈沖頻率直到期望的速度。同樣，步進(jìn)電機(jī)不能在高速運(yùn)行狀態(tài)下突然停止，否則，由于慣性作用會出現(xiàn)過沖。故需逐步降低脈沖頻率直到能夠停止的速度，以實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。另外，應(yīng)盡量縮短起動加速和停止減速時間，提高其快速性。但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著它的旋轉(zhuǎn)角速度變化，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著它的旋轉(zhuǎn)角速度變化。因此在整個加速(減速)過程中，步進(jìn)電機(jī)的角加速度應(yīng)該隨著轉(zhuǎn)子角速度的變化而變化，使步進(jìn)電機(jī)在不失步條件下，以最短的時間加速(減速)到給定速度。因此，選擇合理的運(yùn)行規(guī)律函數(shù)，成為步進(jìn)電機(jī)速度控制的關(guān)鍵。2.2速度控制曲線及其數(shù)學(xué)模型在步進(jìn)電機(jī)不失步的條件下，驅(qū)動脈沖頻率變化的加速度

29、，和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。而角加速度又是依賴于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩的。因此，選擇一條比較合理的運(yùn)行規(guī)律曲線，以使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度的變化與它的輸出力矩變化相適應(yīng)，成為速度控制的關(guān)鍵。目前，如何根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境(步進(jìn)電機(jī)的類型、運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)載的特性等)確定最佳的升降速曲線；如何在負(fù)載變化的情況下及時調(diào)整升降速的控制，成為步進(jìn)電機(jī)速度控制的重要研究內(nèi)容。許多科技工作者對步進(jìn)電機(jī)的加減速特性優(yōu)化控制進(jìn)行研究，建立了多種加降速數(shù)學(xué)模型，如指數(shù)模型、線性模型等，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種加速度控制器，縮短了加減速時間。速度控制規(guī)律一般有三種選擇，如圖2-1所示。按階梯規(guī)律升降速、按直線規(guī)律升降速

30、、按指數(shù)規(guī)律升降速。2.2.1階梯規(guī)律速度控制將步進(jìn)電機(jī)的升降過程離散為一個不連續(xù)的區(qū)間，控制器件所發(fā)出的驅(qū)動脈沖受階梯函數(shù)的控制，即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速每躍升1個臺階后，恒速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間，通過回饋機(jī)制比較當(dāng)前速度與目標(biāo)速度是否一致，若不一致則相應(yīng)的加或減一個脈沖檔位噙3。這種方法的缺點是在恒速階段沒有加速，未充分利用步進(jìn)電機(jī)的加速性能，而且在高頻段加速臺階高，步進(jìn)電機(jī)在速度越階時會發(fā)生失步。2.2.3直線規(guī)律速度控制電機(jī)做梯形運(yùn)動時，其運(yùn)動過程是首先以一定的加速度加速運(yùn)動，當(dāng)速度達(dá)到指定的速度時，開始勻速運(yùn)動。減速時，以一定的加速度減速運(yùn)動到指定的速度后勻速運(yùn)動或停下來。在步進(jìn)電機(jī)升速過程中，直線

31、規(guī)律速度控制是加速度保持一個恒定值不變，速度以直線規(guī)律上升乜副。該種加減速方法快速性較好，控制方法計算簡單，節(jié)省機(jī)時，但由于速度呈直線上升或下降規(guī)律，不完全符合步進(jìn)電機(jī)的速度變化規(guī)律，加速、勻速和減速過程不能光滑過渡，即加速度對時間的函數(shù)a(t)=dv(t)dt不是連續(xù)函數(shù)，而存在階躍現(xiàn)象，加減速控制方法效果不是十分理想。這將影響電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命，所以適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢且對升降速過程要求不高的場合。以往研究表明，步進(jìn)電機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)下可以按預(yù)期的目標(biāo)升降速，但是反映出過沖量大、穩(wěn)定性差、噪音大的現(xiàn)象。所以在短距離的步進(jìn)電機(jī)加減速控制中不適合采用該方法。同時，由于這種速度控制方法

32、的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨速度變化的特性，步進(jìn)電機(jī)在高速時會發(fā)生失步。因此，除部分特殊場合，線性規(guī)律控制已逐步退出歷史的舞臺。223指數(shù)規(guī)律速度控制指數(shù)規(guī)律加減速是指在加減速過程控制中，步進(jìn)電機(jī)的速度是指數(shù)規(guī)律上升或下降的。開始加速度最大，并且隨著速度的升高而逐漸減小，速度上升得越來越慢。當(dāng)速度上升至最高值時，加速度降低至最小，理想情況下應(yīng)接近于0。用指數(shù)規(guī)律加減速能充分保證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，同時兼顧了升降運(yùn)行快速性。事實上，用指數(shù)規(guī)律加減速是與理論分析結(jié)果完全符合的，理論分析表明步進(jìn)電機(jī)的速度變化規(guī)律符合某種指數(shù)規(guī)律乜引。用指數(shù)規(guī)律加減速完全可以滿足短距離步進(jìn)

33、控制的要求。指數(shù)規(guī)律速度控制又可進(jìn)一步分為速度時間曲線是S型的運(yùn)動和直線加拋物線型的運(yùn)動。a速度時間曲線是S型的運(yùn)動其中M-B為加加速運(yùn)動階段，B-C為加速運(yùn)動階段，C-D為減加速運(yùn)動階段，DE為勻速運(yùn)動階段，減速時情況類似，E-F為加減速運(yùn)動階段，F(xiàn)S為減速運(yùn)動階段，S_H為減減速運(yùn)動階段。速度是時間的連續(xù)函數(shù)，從啟動到加速過程的光滑過渡以及到勻速運(yùn)動的過渡使電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命提高，但計算，量大，適用于控制系統(tǒng)處理速度較快且對升降速過程要求較高的場合。b速度時間曲線是直線加拋物線型的運(yùn)動在對步進(jìn)電機(jī)的控制中，工程上一般認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)無需經(jīng)過加速就直接階躍到啟動頻率所對應(yīng)的速度，也可在啟動

34、頻率所對應(yīng)的速度直接停止。因此上圖所示直線加拋物線運(yùn)動規(guī)律就演變?yōu)閽佄锞€運(yùn)動規(guī)律，由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是其速度的減函數(shù)，在高速狀態(tài)下，易于產(chǎn)生振蕩，而使用拋物線型曲線的控制方法可提高步進(jìn)電機(jī)的允許上限速度，而且可以保證系統(tǒng)盡快由啟動狀態(tài)上升到高頻運(yùn)行狀態(tài)，或盡快由運(yùn)動狀態(tài)停止。由于步進(jìn)電機(jī)為微處理器主控，指數(shù)曲線在實際軟件編程中比較難以實現(xiàn)，并且計算量大，增加了微處理器的負(fù)擔(dān)，所以有研究人員提出了離散逼近法獲得理想的升降速曲線m1，將事先算好的控制數(shù)據(jù)存貯在ROM內(nèi)，在工作過程中直接讀取。步進(jìn)電機(jī)以一“突跳頻率”啟動，并按指數(shù)規(guī)律上升。在步進(jìn)電機(jī)速度變化過程中，速度不是連續(xù)變化，而是按分檔階梯變化，每一個速度階梯的運(yùn)行時間都不同。隨著速度的上