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1、第! 卷 第#$期%$#年#$月上海交通大学学报&( ) * + , -./ + * 0/ + 1 &1 + 2 * 0 ( * 13 4) . 12 53 67 8! *68#$9: 8% $#收稿日期;% $#% %文章编号; #$=? % $#A#$# #?步 进 电 机 速 度 的 精 确 控 制刘亚东#B李从心#B王小新% #8上海交通大学模具C+ D国家工程研究中心B上海% $! $E% 8青岛海信集团模具公司B青岛% =$A摘要;根据经济型数控机床向高精度F实用性发展的需求B研究了步进电机的速度控制时B最佳实现F左端点实现F右端点实现!种速度曲线实现的基本原理B并比较了它们实现方
2、法的计算复杂性B证明用左端点法是一种简单F实用的步进电机实现速度控制的方案8基于该方案B通过截用GC机系统的定时器资源产生精确定时的控制脉冲B使步进电机实现宽广范围内的速度平滑控制8该方法在实际应用中效果良好8关键词;数控机床E步进电机E速度控制E定时器中图分类号; 2 G % ?#H8文献标识码; +I JKLM NKO PQR JPSPTUR KVW PR PJ UVKKXYZ _ a#BYZ b _ a c d #Befghid _c d% #8 * j :k 6l j 7 Dk mn o6 p7qC + D 4 l r 8) m sm j t9uC m l :m t B. uj l r
3、 uj k &kj 6: 6l r(l kv8B. uj l r uj k % $! $BCukl j E% 8 w k l r qj 6/ksm l sm0 t 6pxD kmn o6 p7qC 68 , :qB w k l r qj 6 % =$Ay zNR J LR ; + 996t qk l r:6: umq m | j l q6 m 96l 6| k 9j 7 * C | j 9uk l m: 667 :6u kr uj99pt j 9jl qx t j 9:k9j ! k7 k:B: ut m m| m : u6qs 6t sxm m q9 6l :t 676 s:m x|6: 6
4、t; k qm j 7 9ptvmk | x7m | m l :j :k6l B 7m : m l q9 pt vmk| x7m | m l :j :k6lj l qt kr u:m l q9 pt vmk| x7m | m l :j :k6l m tmqks9pssm q82 um96| xp:m t 96| x7m #k :6 :um sm| m : u6qs j s 96| xj t m q: 668 1: k s xt6vm q: uj : :um| m : u6q6 7m :m l q9 ptvmk| x7m | m l : j : k 6l6t sxm m q9 6l :t 676
5、 s:m x|6:6t ks| 6t msk | x7mj l qx t j 9:k9j 78 $ j sm q6 l:uk s | m :u6qB :umj 99ptj :m96l :t 67 xp7sm s j tmr m l m tj :m q t6|: umGC: k | m t j l qp sm q 6t qt kvkl r:ums: m x|6:6t :6t m j 7k % mj kqmt j l r msxm m q9 6l :t67 s| 66: u78 2 uk slm j x* 0-PY- ! 7/ g2若 实 现 曲 线 和 曲 线6 / *2的 交 点 是 直 线
6、段KP1 -K LP 1 -的端点KP 1 -!称之为6 / *2的左端点实现速度 曲 线!如 图所 示Z若实现曲线和曲线6 / *2的 交点是直线段KP 1 -K LP 1 -的端点K LP 1 -!则称之为6 / *2的右端点实现速度曲线!如图b所示Z6 / *2的最佳实现曲线指的是它的每个曲边梯形hP 1 -hP*P*P 1 -的面积等于- 它 们 分 别用I/ *2, A/ *2, C/ *2表示据证明!只 要理 想速度曲线6 / *2在所考虑的时间间隔 内 平滑单调!那么它的最佳实现及左,右端点实现曲线一定存在!而且分别仅有-条!它们是互不重合的(条曲线卷名师资料总结 - - -精品
7、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - #$% 0$C M# K%把参变量$利用牛顿迭代法解式# K% 得NOP C NODQ#NO% #NO%NKC $Q#N%CJN$K #$% 0$D # G %经过O P次迭代可得$这里SNOP D NOST U U为给定的计算精度# KD V% )E) E右端点实现右端点实现曲线的定时时刻递推式为 #$ D P B%C AB$C$ D PB$K给定M)一般 情 况下很难从式# W %求出B仍需用牛顿迭代法解
8、方程# W %求出B的近似数值解)E) X左端点实现曲线#$%的左端点实现的定时时刻计算式为BC A #$C $ D P B$K给定M )从式# Y%可以看出计算B式# Y%的计算量最少这是式# K%和式# W %所不能比拟的)由W种速度实现方法的分析可以看到实现曲线是步进电机平均速度的连线在每一脉冲间隔内它必须是理想曲线某一时刻的速度)实现精度的指标是曲线梯形和单位矩形面积之差的绝对值)左端点实现定时时刻的算式是最简便的并且能获得很满意的实现精度因此本文采用了这一实现方法)X步进电机控制脉冲的精确定时由上述讨论步进电机的速度特性由一组脉冲序列确定脉冲周期的大小决定步进电机的转速高低)步进电机
9、高速运行时脉冲周期的数值一般都在Z级因 此必 须 设 计 精 确 的 定 时 方 法)笔 者 发 挥机定时器的资源实现了控制脉冲的精确定时)控制脉冲的输出采用 _ V GK Aa接口板)X) I利用b c精确定时的基础FYH系 列 微 机 的 系 统 板 上 有 一 片dG! W或dG! Y可编程定时器芯片#或集成在其他集成电路中% 它包含W个独立的 V位计数器其中每个计数器都可以独立编程以完成各自指定的功能)系列微机的定时 系统 就 是利用计数器K的输出a e fK定时提出日时钟中断请求从而引发中断Kd 以支持系统日时钟)日时钟定时中断引发的频率为 d) G g其主要为机完成W项任务h# %
10、实时修改i a j数据资源区的两个定时器变量f kl*Dma #YKnV K %和f kl*D #YKnVl % o#G %控制软驱电机的关闭时间o#W %调用定时报时中断 )系统dG ! W AdG ! Y的计数器K在写入 V位的计 数值后在a j #振荡器% G分频信号的作用下其计数值依次减 当计数值变为K时则引发一次定时 中 断)微 机系 统本身在初始化时已将计数器K设置为模式W 且其计数初值为K所以它的计数周期约为! Y) pG!Y pW1 可见dG! W AdG! Y最基本的计数单位为BC!Y) pG!Y pW1 AV!W VCK ) dW d Z )因此通过向dG! W AdG !
11、 Y的计数器K写入不同的计数初值就可以在不同的定时时刻计时引发相应中断而且定时精度可达ZF! H)X) E控制脉冲精确定时的实现用步进电机控制脉冲的周期值除以dG! W AdG! Y的基本计数单位可以得到一个计数初值将这个值写入dG ! W AdG ! Y的计数器K并使之开始减计数同时用新的控制脉冲信号输出的中断服务子程序取代原Kd中断 子程序当计数器计 数 值 减 为K时就会引发Kd中断系统进入新的中断服务子程序工作驱动 _ V GK Aa板输出控制脉冲信号)如前所述 机系统dG ! W AdG! Y的计数器K有p! 第 K期刘亚东等h步进电机速度的精确控制名师资料总结 - - -精品资料欢
12、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 系统原定的任务!要利用它实现本系统中控制脉冲的 定 时 输 出!势 必 会改 变 #机 系统 计 时 工 作 的 流程!影响磁盘$% &工作因此!在使用时必须做如下几步工作() * +保 存 原 #机 系 统 中 由 计 数 器,引 发 的$- . &中断的服务子程序入口地址!即中断向量因为新中断服务子程序工作期间! #机系统的计时即由 原, / 0中 断 服 务 子 程 序 完 成 的 工 作 将 暂 停!因此!
13、当控制工作结束后!必须考虑对系统时钟进行恢复) 1+初始 化 产 生 步 进 电 机 控 制 脉 冲 的 新 中 断/ 123计数器,的新工作方式选为模式3!与原系统的不同在于计数初值不是一成不变的!它是在该子程序每次被调用时才装入的依次装入由左端点实现步进电机速度曲线时生成的脉冲周期序列!就能实现相应周期脉冲的定时中断!使控制转入脉冲输出中断服务子程序工作) 3+新中断服务子程序开始工作44输出控制步进电机的脉冲该脉冲信号由$% &板&口输出至步进电机驱动器) 5+恢复原系统中断$- . & !恢复系统日时钟在新中断服务子程序工作期间! #机系统的计时工作将暂停!因此控制结束后! #机系统的
14、计时会出现错误!需要恢复原系统中断并读取实时时钟芯片上 的 数 据 来设 定系统 时 间一 般 #机 系 统 上 均 含有67 8797:;6#% * 5结论基于步进电机左端点实现速度曲线!利用 #机的系统定时器实现?级精确定时!结合扩展的$% &接 口 板 产 生 控 制 脉 冲 输 出!驱 动 步 进 电 机 按 照要 求的速度曲线运行!是开发高精度经济型数控机床实用的步进电机速度精确控制的方法经应用于笔者开发的微机数控卷边成形设备的控制系统中!对* , AB2# C * 2% , D2型 步 进 电 机 实 现 了 从, E/, ,步% 范围内的带载平滑速度控制!得到了满意的控制精度该方
15、法为改善经济型数控机床中步进电机的速度控制探索出一条有效的途径参考文献(F * G王鉴光电机 控 制 系 统F6 G北 京(机 械 工 业 出 版 社!*HH5 1D 3E1 / , F 1 G金松令!金孚安微机控制步进电动机运 行 参 数 的 计算FI G微电机! * H H1! ) 5+( 5HE2 1F3 G赵 家 森用 微 机 控 制 步 进 电 机 的 升 降 速FI G微 特 电机! *HH/ ! ) 1+( *E* / F 5 G陈西文 $% &接口程序设计入门与应用F6 G北京(机械工业出版社! * HH / ED ! *, 3E* 1/ F 2 G邢建春在 #机上实现任意定时
16、的方法FI G 测控技术! *HH! *2)2+( 2/ E2 H作者简介(刘 亚 东*HD5年 生 *HHJ *HHH年 于西 安 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 分 别 获 得 学士J硕士学位现为上海交通大学塑性成形工 程系 博 士 研 究 生主 要 从 事 高 速 切 削 数控系 统 及 高 精 度 伺 服 进 给 算 法 的 研 究!发表学术论文2篇李从心*H55年生 *HD年毕业于西安 交 通 大 学! *H/ 1J*H/ /年 于 华 中 理 工 大学 分 别 获 硕 士J博 士 学 位! *H H, E *HH1年在 西 德K L M NO9公 司 从 事 博 士 后 研
17、 究现为 上海 交 通 大 学 塑 性 成 形 工 程 系 副 主 任J教授J博士生导师J$PPP会员主要从事材料 加 工 设 备 的 计 算 机 控 制J高 速 切 削#= Q% # = 6 % # R#一体化J材料加工过程的计算机模拟等领域的研究王 小 新男! * HD3年 生 *HH J* HHH年 于 西 安 交 通 大 学机械工程学院分别获得学士J硕士学位现为 青 岛 海 信 集 团模具公司工程师!负责数控设备的技术改造及注塑模具的开发设计工作,12*上海交通大学学报第32卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
18、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 步进电机速度的精确控制作者：刘亚东 ， 李从心 ， 王小新作者单位：刘亚东,李从心(上海交通大学模具CAD 国家工程研究中心,)， 王小新(青岛海信集团模具公司,)刊名：上海交通大学学报英文刊名：JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：2001,35(10)被引用次数：29次参考文献(5条)1. 邢建春 在PC 机上实现任意定时的方法 1996(05)2. 陈西文 I/O接口程序设计入门与应用 19963. 赵家森 用微机控制步进电机的升
19、降速 1998(02)4. 金松令;金孚安微机控制步进电动机运行参数的计算期刊论文-微电机 1992(04)5. 王鉴光 电机控制系统 1994引证文献(29条)1. 刘淑燕. 孙杰. 王妍. 刘立国 PC 定时器在步进电机速度控制上的应用期刊论文-机械与电子 2011(2)2. 刘涛. 王宗义. 孔庆磊 . 武光田 基于CAN 总线的多电机协调运动控制系统研究期刊论文-机床与液压 2010(3)3. 王晶. 吴上生 热转印标签打印机控制电路的研究期刊论文-工业仪表与自动化装置 2010(5)4. 张海英. 胡金高 步进电动机运行曲线的优化算法与仿真期刊论文-微特电机 2010(11)5. 杨
20、庆凤 DSP 控制两自由度步进电机驱动的设计期刊论文-科技创新导报 2009(26)6. 王鹏. 范蟠果 基于DSP 智能体的控制与实现期刊论文-计算机测量与控制 2009(1)7. 王瑾 基于DSP 和CAN 总线的步进电机控制系统研究期刊论文-电子测量技术 2009(1)8. 李立凯. 林青松. 杨宁 步进电机在光电跟踪照射系统中的优化控制期刊论文-单片机与嵌入式系统应用2009(2)9. 王晓坤. 杨进华. 韩文波. 王雪丽 变速控制在基于DSP 的转台定位跟踪中的实现期刊论文-长春理工大学学报（自然科学版） 2009(1)10.吕强. 王珂珂 . 王国胜 步进电动机在两轮移动机器人中的
21、应用研究期刊论文-微电机 2008(10)11.杜磊. 刘武州 . 郭利平 TE10 波在矩形波导管中传播的计算机测量及动态反馈模拟期刊论文-中国测试技术2007(5)12.徐煜明 步进电机速度控制的研究与实现期刊论文-工矿自动化 2007(2)13.杨庆凤 . 刘德营 . 陈坤杰 基于DSP 的公路喷字划线车控制系统的设计期刊论文-机电工程技术 2007(2)14.李忠科 . 赵静 通用步进电动机升降速控制器设计期刊论文-微特电机 2006(1)15.李晓菲 . 胡泓. 王炜. 程云涛 步进电机加减速控制规律 期刊论文-机电产品开发与创新 2006(1)16.鲍伟 基于PCI 总线和DSP
22、的五轴运动控制卡的研究学位论文硕士 200617.宋受俊 基于单片机的电机运动控制系统设计学位论文硕士 200618.张贵宝 . 李加文 . 李从心 自调匀整并条机实现启停平稳变速的分析期刊论文-青岛大学学报（工程技术版）2005(3)19.张贵宝 . 邹泽明 . 陈宗雨 . 李从心 . 全超平 . 王占杭 一种并条机开环自调匀整中的延时控制期刊论文-青岛大学学报(工程技术版) 2005(2)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - -
23、- - - 20.余凌飞 磁头封装中运动控制系统的设计与研究学位论文硕士 200521.杨华军 基于步进电机驱动的6-THRT 并联机器人控制技术研究学位论文硕士 200522.赵攀峰 以MAV 为背景的拍翼运动流场特性研究学位论文博士 200523.刘红远 飞机发动机转速模拟技术的研究学位论文硕士 200524.赵攀峰 . 刘春阳 . 魏榛. 李振国 . 刘曦. 郑明章. 杨基明 一种扑翼运动的模型实验及流场测量方法期刊论文-实验力学 2004(4)25.彭晓南 . 郭晓波 曲轴综合检测虚拟仪的开发期刊论文-工具技术 2004(5)26.李忠科 . 李福宝 . 李勤 通用步进电机升降速控制器设计期刊论文-沈阳工业大学学报 2004(3)27.王红昇 全自动剪板机控制系统的设计开发学位论文硕士 200428.王俊涛 铝合金焊缝X 射线底片计算机辅助评定的研究学位论文博士 200429.郭晓波 . 彭晓南 曲轴多参数虚拟检测仪的研制期刊论文-河南科技大学学报(自然科学版) 2003(2)本文链接： http:/ - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -