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1、步进电机控制中升降速的设计与实现摘要：文章介绍了步进电机的速度控制方案。在分析步进电机动态特性的根底上，推导了步进电动机理想的升降速控制曲线，实现了指数规律的升降速控制，用离散法对步进电机升降速的经过进展了处理，并用C语言编程实现了单片机对步进电机升降速的离散控制。，使系统具有良好的动态特性。0引言对步进电机的控制是经济型数控系统开发时的一项重要内容，其中对步进电机运动经过中的升降速控制是重点。在实际的步进电机应用中，尤其在要求快速响应的控制系统中，其关键问题是如何保证步进电机在频繁启停、频率发生突变的高速运转经过中不发生堵转和失步。而且堵转和失步的发生，与步进电机的变速特性，即与步进电机运行
2、速度的变化规律有关。步进电机升降速控制目的是防止电机在速度突变时发生失步，使运行平稳。实现升降速控制的方法很多。由理论推导可知，指数规律的升降速曲线更能使步进电机转子的角加速度的变化与其输出转矩的变化相适应。实验证明这样将可以大大进步微机控制下步进电机的最高工作频率，大大缩短升速时间。1步进电机动态特性分析由于步进电机的输出转矩随步进频率的增加而减少，根据步进电机的动态特性，可以通过其动力模型(二阶微分)描绘：式中：J系统的总转动惯量转子的转角阻尼系数k与成某种函数关系的比例因子Tz摩擦阻力矩及其它与无关的阻力矩之和Td步进电机所产生的电磁驱动转矩式中，惯性扭矩角加速度显然，惯性扭矩应小于最大
3、电磁转矩Td，在升速阶段角加速度越大越好，使得到达匀速的时间越短，但在加速阶段为了减小对系统的冲击不应该突变，上式实际上反映了矩频特性，即脉冲频率越高转矩越小。故在不失步的前提之下，在加速阶段应正比于频率f对时间的微分。故可以表示为：式中：A和B是两个特定的时间常数。假设在升速阶段的启动频率为，那么对3式进展拉氏变换得：对4式整理得：再次对5式进展拉氏反变换整理得：式6中，为时间常数，反映上升速度的快慢，式7中，。设步进电机在升速经过中启动频率为，运行最高频率为，当运行足够的时间后用表示，有，根据式7得：由8式整理，并且由于远大于，故：将9式代入7式中得：式10中为时间常数，该式就是普通的指数
4、加减速的数学模型。2步进电机的升降速曲线由步进电机动态特性的理论推导可知，指数规律的升降速曲线更能使步进电机转子的角加速度的变化与其输出转矩的变化相适应，指数曲线能更充分反响步进电机速度特性。因此用指数曲线来分析步进电机加减速。由指数曲线方程绘制出电机升降速曲线如下列图1所示：如图1所示，纵坐标为频率，单位是步秒，其实反映了转速的上下。横坐标为时间，各段时间内走过的步数用N来表示，步数其实反映了行程。图中标出理想升速曲线和实际升速曲线。3升速经过的离散处理由升速算法,在程序运行时，假设运行速度为,那么可计算出升速时间为：由于计算机上无法实现连续控制，必须将上升时间离散化。假设将升速段均匀分为n
5、段，由(11)式可知上升的时间为,那么相邻两次速度变化的时间间隔为。式中：n为阶梯的分档数。那么每一档的频率为由上式可计算出定时器的时间设定值，即，各频率段上脉冲个数(或者运行的步数)Ni为那么升速的总步数为:程序执行经过中，对每档速度都要计算在这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查。当减至零时，表示该档速度应走的步数已走完,转入下一档速度，与此同时，还要递减升速经过总步数，直到升速经过走完为止。以上就是对升速经过的处理，降速经过的处理方法和升速经过一样。本文所选的步进电机为42BYG4501型两相混合式步进电机，该电机的最大空载启动频率为1200步/s,允许突跳频率可由电机的最大空载启动频率
6、求得，一般取其1/23.结合本系统对升降速的详细要求，本文中规定启动频率为500HZ，最高运行频率为15000HZ，要求在120步之内升速到10000HZ，计算出该步进电机的升速经过的脉冲时间间隔。首先计算出上升时间和时间常数的值：利用matlab计算出：故升速曲线可以表示为：4用单片机实现步进电机的速度控制本文采用C8051F040单片机对步进电机进展升降速控制，单片机使用定时器中断方式来控制步进电机的速度，升降速控制实际上是不断改变定时器初载值的大小。为了少占用CPU资源并进步响应速度，设计时把各离散点速度所需的定时器装载值固化在单片机的ROM中，系统运行时用查表法查出所需的装载值。升速控
7、制中，需要查各台阶微步数和对应的时间常数表.减速控制中，无需任何调整，等分时间取和加速段一样值。最后一档速度为加速段的启动速度。系统进入加减速运行方式后，首先根据设定的工作速度，计算加减速经过所需的台阶数和定时器时间常数和匀速段定时器时间常数并填表。加减速程序流程图如下列图2所示，也即查表执行加速各档，匀速段，减速各档的经过。假定将加速和减速段对称地细化为255段，使之成为锯齿状逐步逼近指数的曲线进展加、减速。每段定时时间各为20s,根据不同的频率对应不同的速度，而频率的倒数也就是对应控制驱动步进电机脉冲的周期，通过设定单片机定时周期，进而控制步进电机的加、减速。加速经过流程图如下列图3所示。
8、5结语本文运用指数加、减速方法实现单片机对步进电机的速度控制，利用离散化处理实现了步进电机的速度调节，根据指数规律函数计算各上升和下降阶梯时的频率，通过查表和定时中断技术实现步进电机的升降速控制实验结果说明，用上文所述的升降速控制流程图编写的程序在实际运用中电机运行平稳，能可靠地沿着所设计的指数型曲线运行，该方法简单实用且效果好。参考文献：1李海波，何雪涛步进电机升降速的离散控制J北京化工大学学报，2003，(1)：92942徐煜明步进电机速度控制的研究与实现-工矿自动化20073陈爱国.黄文玲步进电机升降速曲线的研究会议论文20024刘亚东，李从心步进电机速度的准确控制J上海交通大学学报，2004(10)5方玉甫步进电机自动升降速系统的研究与应用会议论文2005