单片机控制的步进电机自适应调速方法_孙侃pdf

1、 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

2、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

3、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

4、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 f s , 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

5、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 f s 处,在梯形图上表现为以 f s 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 f s 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 L s 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

6、 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 f si 。毫无疑问, 这个 f si 是随着步长的不同而不同的 ,并且 f si 正比于 步长 ,步长大时, f si 就大, 步长小时 f si 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

7、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 f si ,在这个 f si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 -f si ,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 L 1 和 L 3 。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

8、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 f si 、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110374660924 121015441852231024882574(脉冲数)表1 中 ,每一个速

9、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 1

10、000 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 L 1 , 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 L 3 =L 1 ;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 f si(i=1 ,2 , ,。表 示全过程分为段)处的步长 :L 2 =L si(总步长)-L 1 -L 3 =L si -2L 1运行过程中不失步。这

11、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 T 0 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 T 0 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 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“ ×频率 运行代码”步 , 在降频过程中步进电机亦走 “×频率运行代码” ,因此恒频段的步长为 :L 2 =L -2 L 1 =L -2 ×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

12、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 5 T 0 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,

13、 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:由于中机电动机拖动负载大 ,电动机温 升高, 噪音大。 经轴架与中机间经纱线的 张力难于控制 , 造成张力不

14、均匀。 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 , /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

15、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 GT R 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

16、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Abstracts of Some Articles in This Issue

17、Application of S-C MC-based Argon Flow Control System in Electric Medical Operator/ X u Huaqing , Zhang Peimin/E lectronics &Automation .-1999 , 28(1).-1113High frequency Argon flow electric operator has an impor-tant application in medical operation , and the control and ad-justment of the Argo

18、n flow is the key technology .This article in troduces the principle , structure and related electric circuits of the Argon flow control system .Under the environment of strong electromagnetic radiation interference, this system , w hich can adjust and control the Argon flow p recisely at +/ - 0 .2L

19、/ min , is a practical system .Keywords :high frequency electric operator, Argon flow , flow control , s-c microcomputerReal-time Metering of Coal Consumption in Thermal Plant/X u Qinglin , Du Y ou fu/ E lectronics &Automation .-1999 ,28(1).-1315To solve the metering problem of the coal consumpt

20、ion in the thermal plant , a calculation model is given in this article w ith an explanation of system hardw are and software design . By using this model , the coal consumption of each furnace can be measured accurately , and the data acquisition and data base system are integrated to form a meteri

21、ng and monitoring system for each individual fu rnace.This system has been applied in several plants featu ring w ith multi-functions .Keywords:thermal plant , coal consumption , real-time metering , data acquisitionData Re-structure &Memory Technology of Digital Video Sig-nal of LED Color Displ

22、ay/ Liu Chuanqing et al/ Electronics&A utomation .-1999 , 28(1).-1517Low display updating speed and less gray scale grades existin LED display .For this, data restructure of digital video sig-nal is m ade according toitsspecial structure, and specialbitplane encoding memoryandscanning technology

23、 are usedtoachieve stable and high speed display effect of animation .This paper details the configuring principle and its realization .The p ractice proves :all color LED display w ith bit plane encoding technology results in good gray scale w ith stable image without flutter, and the circuit is ea

24、sy and flexible .Keywords:data restructure , bit plane encoding , memory technology , gray scale display , LED displayDevelopment of Image Capturing with Digital Video Monitor-ing System Based on PCI Bus/ Wen Y ining , ZengZejun/E lectronics &Automation .-1999 , 28(1).-1821The real time true col

25、or videosignal is oftenprocessedw ith digitizer in supervisory control ,desk top video and all sortsof microcomputer image processing system .According to the features of the digital video monitoring system based on digital video decoder Bt848 , the new est developed PCI local bus is usedin image ca

26、pturing .This paper describes the realization of the image capturing and video editing of the monitoring system based on PCI bus , PCI bus specification , principle of the digital video decoding and the development of user softw are.Besides , part of source program developed with VC +4 .2 is given .

27、Keywords :PCI bus , monitoring system , image capturing , video editing , digital video decodingDesign and Analysis of A DC Dual-Output Adjustable Power Supply Featuring with High Quality and Simplicity/ Zhou Kaitin , Zheng Lixin/ Electronics &Au toma tion .-1999 , 28(1).-2224Based on the necess

28、ary characteristics of a quality stabi-lized voltage DC pow er supply , this article describes a dual-out-put stabilized voltage DC supply consisted of PI regulator and common-emitter connected transistor featuring simplicity and high quality w ith characteristic analysis .A design example is given

29、with max .Output current 5A , M ax .Output voltage 50V , voltage regulation rate 0 .012 %, load regulation rate 0 . 04 %, and ripple immunity ratio 84dB .Keywords:DC stabilized voltage supply , common-emitter connected , PI regulator, ripple analysisRecording the Operation Process in Electricity Networks Con-trol Operation by Using Windows Programming Technology/Wang Qiang Electron ics & Automation.-1999 , 28(1).-30 31 , 36In developing the full-range simulator of the electricitynetw orkscontrol of the thermal pow er plant of Daqing OilField, byusing W INDOWS programming techno