单片机控制的步进电机自适应调速方法_孙侃pdf

—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fs,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fs处,在梯形图上表现为以fs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fs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Ls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fsi。毫无疑问,这个fsi是随着步长的不同而不同的,并且fsi正比于步长,步长大时,fsi就大,步长小时fsi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fsi,在这个fsi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-fsi,对应于这个最高运行频率,步进电机在升频或降频时所能行走的升频或降频的步长,即图3中的L1和L3。有了这些概念我们就可以说明步进电机分段变速控制了。3.步进电机分段变速控制设某一台步进电机(型号:110BYG201)最高起跳频率为1000Hz,最高运行频率为10000Hz,从起跳频率开始若每隔f=1000Hz分一个速度段,则可分成10个速度段进行控制,各段就有一个相对应的最小步长,根据这个最小步长确定出相应的且能反映升频过程的频率运行代码。进行分段变速控制的频率运行代码及与频率运行代码相对应的最高运行频率fsi、最小运行步长如表1所示。图2分段变速控制图表1速段代码表速段0123456789频率运行08162734435260757D7F代码频率f(Hz)si100020003000400050006000700080009000100000最小运行步长110374660924121015441852231024882574(脉冲数)表1中,每一个速段都隐含有一个对应于最小步长的升降频运行曲线,实际上已建立了一个分段变速控制的模型。若已知步进电机的运行步长,如何根据上表的最小步长值,确定步进电机应运行在哪一个速段下的升降频曲线呢?很显然,已知运行步长,可查这张表迅速决定要运行的速段。例如,已知运行步长为1000,查表立即可知,步进电机若不失步,运行在最小步长为924的速段是最合适的;如果选择最小步长为660的速段,虽然步进电机运行不会失步,但运行速度却偏低;如果选择最小步长为1210的较高速段,因该速段要求至少运行1210步长才不至失步,显然,运行仅仅1000的步长却选择高一档的速段,步进电机就会失步。因此设计时,首先根据步进电机的运行特性确定出表—34—电子与自动化1999年第1期1,然后就可进行程序的设计了。4.程序设计在设计中频率运行代码值取代表升频过程的步长L1,也是程序中频率阶梯计数器中的阶梯计数值,见图3。为简化程序设计,通常设定降频过程的步长L3=L1;因此各段的恒频段的步长,也就是步进电机各段恒频运行于最高运行频率fsi(i=1,2,…,ξ。ξ表示全过程分为ξ段)处的步长:L2=Lsi(总步长)-L1-L3=Lsi-2L1运行过程中不失步。这样大大简化了控制系统的规模和硬件的复杂性,便于广泛应用。升降频过程采用单片机定时器T0延时,以图3的直线升降(频)方式设计程序。程序的流程详见图4的主程序框图、图5的T0中断服务子程序框图。图3步进电机变速控制过程假定在每个阶梯步长,步进电机以恒频率行走λ步,因升频过程共有“频率运行代码”个阶梯步长,则升频过程共走“λ×频率运行代码”步,在降频过程中步进电机亦走“λ×频率运行代码”,因此恒频段的步长为:L2=L-2L1=L-2λ×频率运行代码这样利用实际须运行的步长求出相关的最小步长这个参数,再根据这个最小步长就可找出相应的频率运行代码,就完全可以使步进电机在程序的控制下根据实际要求的运行步长自动选择合适的升降频曲线(通过查另一张运转代码表)来运行,实现了步进电机在定位控制全过程中的速度自适应控制。到此,我们也可以看出,步进电机是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件,当它用于位置控制时,完全可以做到不要速度环也不要位置环的开环控制,前提是须先合理分配好各分段变速控制的升降频曲线,以确保图4主程序框图图5T0中断子程序框图1999年第1期电子与自动化—35—交流变频器在浆纱生产线上的应用区家贤(粤江织造实业有限公司,广东南海市九江镇,528203)摘要针对纺织浆纱生产线中传统拖动方式的缺点,采用变频调速技术进行改造,取得了良好效果。介绍了变频器的选用及主电路与控制电路的构成。关键词变频调速浆纱行程开关滑差电动机1.概述在纺织浆纱生产线中,白经轴架盘内一般放置有8～16个白经轴,其本身不存在传动装置,而是由中机即30kW滑差电动机拖动白经轴上的经纱线来传动。白经轴轴端转动机械部分不是通过轴承而是通过行轴套拖动,这样的拖动方式不可避免地带来很多缺点:①由于中机电动机拖动负载大,电动机温升高,噪音大。②经轴架与中机间经纱线的张力难于控制,造成张力不均匀。③在上下两层经纱架上转换接缚纱线时要关掉中机电动机,造成色纱等损失,降低等级的情况随时会发生,严重地影响染纱质量。为此,我们在白经轴架与中机之间安装一个经轴贮纱架,而白经轴的拖动改用一台2.2kW、940r/min的三相电动机经由高效节能的变频器控制。通过这样的改造,很好地解决了上述几种弊病,提高了生产效率和经济效益。2.变频器的选用经轴拖动电动机的数据为:P=2.2kW,n=940r/min,I=5.69.6A,Δ/Y接法。为此,变频调速器选用台达公司产品,其型号为VFD37A43A,适用功率为3.7kW,对于2.2kW电动机应有一定余量。该型变频器由于采用IGBT功率器件,电压波动适应性强(比功率器件GTR要好得多),而且整台变频器为全密封结构,适合于纱尘和腐蚀性较大的浆染生产线,另外整机价格不算贵,比日本机便宜。这是我们乐于使用它的原因。3.变频调速柜内主电路和控制电路变频调速柜由变频器、三相空气漏电开关KG、继电器、开关、指示灯、电位器等组成,主电路如图1所示。为便于操作,我们将控制电路设计成自动和手动两种控制方式。具体控制电路如图2所示,其中XK1、XK2、XK3行程开关采用LX25-511棒状行程开关,AN2为旋钮开关。手动操作时,AN2的1、5旋合,L5手动操作指示灯亮。此时由AN2的1、4断开自动操作方式。当升降贮纱架平台降低到使XK1动作,则继电器J1动作,其触点断开变频调速器的调速电位器给定电源和前向指令,电5.结果。结束语本文叙述的方法在我公司产品包装机的主要参考文献[1]陈隆昌,陈莜艳.控制电机.西安电子科技大学出版“步进电机用于物料小剂量计量控制”的项目社,1994中得到了很好的实际应用,取得了较满意的(收稿日期:1998-08-12)—56—电子与自动化1999年第1期AbstractsofSomeArticlesinThisIssueApplicationofS-CMC-basedArgonFlowControlSysteminElectricMedicalOperator/XuHuaqing,ZhangPeimin//Electronics&Automation.-1999,28(1).-1113HighfrequencyArgonflowelectricoperatorhasanimpor-tantapplicationinmedicaloperation,andthecontrolandad-justmentoftheArgonflowisthekeytechnology.Thisarticleintroducestheprinciple,structureandrelatedelectriccircuitsoftheArgonflowcontrolsystem.Undertheenvironmentofstrongelectromagneticradiationinterference,thissystem,whichcanadjustandcontroltheArgonflowpreciselyat+/-0.2L/min,isapracticalsystem.Keywords:highfrequencyelectricoperator,Argonflow,flowcontrol,s-cmicrocomputerReal-timeMeteringofCoalConsumptioninThermalPlant/XuQinglin,DuYoufu//Electronics&Automation.-1999,28(1).-1315Tosolvethemeteringprob