基于步进电机的工业取料机械手的定位控制

1、自动化与仪器仪表 年第 期（总第 期） 基于步进电机的工业取料机械手的定位控制 周鸿杰 ， ， 骆敏舟 （ 中国科学院合肥智能机械研究所安徽合肥， ） （ 中国科学技术大学自动化系安徽合肥， ） 摘 要：给出了步进电机控制的工业取料机械手定位方法， 给出了符合实际情况的电机升降速曲线图和软件 实现方法。 最后， 通过实验证明了该方法精度高、 稳定性好， 目前该方法成功运用于工业取料机械手。 关 键 词：步 进 电 机；机 械 手；定 位 控 制 Abstract: This paper give the positioning methods of manipulator controlled

2、 by stepper motor, and give the frequency-rising and frequency-falling speed curve of motor in line with the actual situation, and software implementation are given. Finally, experiments proved that this methods have high precision and good stability. The method is successfully applied to manipulato

3、r delivery in industrial now. Key words: Stepper motor ; Manipulator ; Position control 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： （ ） 引 言 目前工业取料机械手主运动臂的控制方式主要采用 液压或气压驱动。 这种控制方式的优点在于结构简单， 易 于控制， 但系统定位需要限位开关来实现， 控制精度不 高， 可靠性和灵活性差， 不利于生产过程的自动化。 步进 电机的角位移量与脉冲个数严格成正比， 转速与脉冲频率 成正比， 因此只要控制输入脉冲的数量、 频率及电动机绕 组通电的相序， 便可获得所需的转角、 转速及

4、转动方向。 基于上述原因， 本文提出一种基于步进电机控制的工业取 料机械手， 从步进电机的矩频特性及实际情况出发， 给出 了步进电机的升降速曲线及软件实现， 该控制方式已成功 应用于注塑取料机械手中， 具有定位精确、 稳定可靠的性 能。 取料机械手结构 注塑机械手示意图如图 所示。 机械手从 点抓取工 件右行到 点， 放下工件， 然后返回到 点， 抓取下个工件， 依此反复。 步进电机作为机械手左行右行的动力执行机 构。 步进电机升降速曲线 步进电机由输入脉冲控制， 其转速由输入脉冲的频 率决定， 其旋转角误差不会累积。 在高精度、 大负载的工 业取料机械手中， 由于机械手的惯性引起的步进电机失

5、 步、 过冲会直接影响其定位精度， 因此必须对步进电机的 控制脉冲频率进行调节， 保证步进电机的不失步、 不过 冲， 实现精确定位。 收稿日期： 图 注塑取料机械手结构示意图 升降速曲线 常用的步进电机升降速曲线有：直线升降速、 指数曲 线升降、 抛物线升降速等。 本文从电机的动力学方程、 矩 频特性曲线及实际情况出发， 提出 型升降速曲线作为步 进电机的升降速曲线。 在步进电机的控制系统中， 给一个电脉冲信号， 步进 电机就转动一个角度或前进一步， 如输入为脉冲数 ， 输 出为转角， 则 或 （ 为驱动脉 冲的频率， 为脉冲当量） 这是步进电机输入输出的比 ， 例关系。 图 电机矩频特性曲线

6、 根据图 所示步进电机的转矩 频率特性曲线知， 当 转速上升时， 转矩随速度接近于线性下降。 这个转矩实际 上是电磁转矩 和阻力矩 之差。 设步进电机的阻力矩 ， 负载转矩是加速转矩 ， 则负载的运动方程为： 基于步进电机的工业取料机械手的定位控制周鸿杰， 等 （） 其中， 为电磁转矩， 为负载的转动惯量， 为转矩 常数， 为电机的回转角速度。 假设转速从零开始升速， 即初值 ， 时， 上式的解为： （） 其中， 如果脉冲当量 用 表示， 由 入上式得： （） 其中， ， 为步进电机的最高连续频率。 样就可以得出该段频率所运行的脉冲数。 在实际情况中， 考虑到步进电机的惯性作用， 在升降 速过

7、程中， 如果速率变化太大， 电机响应将跟不上频率的 变化， 从而出现失步现象。 因此， 每改变一次频率， 要求 电机持续运行一定的步数， 使电机适应变化的频率， 从而 稳定的运行。 因此在升降速过程中要建立一个数据存储 区， 用来存储频率与步数。 在程序运行时顺序取数， 每次 得 ， 代 取出一个频率和该频率对应的步数。 频率 步数表如表 所示。 表 频率步数（脉冲数）表 是决定升速快慢的时间常数。 ） （ 式表示驱动脉冲的频率 应随时间 作指数规律上升， 因此指数规律的升降速曲 线更能使步进电机的转子的角加速度的变化和输出转矩 的变化相适应。 由式 ） 理论上驱动脉冲的频率 是随着时间呈 （

8、 知， 指数规律上升即可实现电机转速在较短的时间内达到要 求， 且能实现电机不失步和快速起停。 在实际取料过程 中， 步进电机启动时， 由于其静态惯性比较大， 应该以较 小的加速度加速；而在较高速度运行时， 由于输出转矩会 有所降低， 须以较小的加速度升降速；在步进电机停止 时， 为了防止发生过冲， 须以较小的加速度降速， 因此按 图 所示的 形曲线进行升降频更适合于实际情况。 软件实现 图形升降速曲线图 升降速曲线的离散化处理 图 升降频软件流程图 在软件运行时， 程序通过可以查频率 步数 （脉冲 图（）曲线离散图 数） 表控制步进电机按照 形曲线来控制升降速。 其详细 的流程图如图 所示。

9、 实验结果与分析 本项目采用 系列的三相混合式步进电机作为 主运动臂的送取料电机， 实验测得其启动频率为 ， 空 载最大运行频率为 ， 带负载在保证不失步不过冲的 最大运行频率为 ， 通过在试验中得到电机运行速度与 理想速度曲线如下图所示。 图 为步进电机升降速理想曲线图， 由于 与 两段 指数曲线关于点 中心对称， 因此只要解决了步进电机的 指数升降速问题就解决了 形曲线升降速问题。 现对其升 速段曲线 段进行研究， 将其划分为 段， 如图 所示。 按 频率级差为 对曲线进行线性离散化， 根据式 ） （ 由 电机总加速时间求出， 然后再由式 ） （ 和各个频率得出 分段时间 ， 进而可以得出

10、每一级频率所运行的时间， 这 自动化与仪器仪表 年第 期（总第 期） 结 论 本文提出的 控制的步进电机在注塑取料机械手中 获得成功的应用。 实践表明：该方法提高了注塑取料机械 手的定位精度、 改善了运行平稳性、 缩短了步进电机的升 降时间、 提高了劳动生产率。 图 步进电机升速段速度逼近曲线 在实验过程中， 采用直线升降速与 形升降速进行对 比， 在不失步和不过冲的前提下， 形升降速能在 内 使电机速度到达 ， 而直线升降速只能使电机运行速 度达到 ， 其时间也需要 。 另外对电机的实际转 动角度进行了测试， 并与理论角度进行了比较， 如下表所 示。 综上， 形升降速比直线升降速更加适合于工

11、业取料 机械手这种高效率、 高精度的场合。 表 升降速曲线实际角度表 出版社， 参考文献 王宗培步进电动机及其控制系统哈尔滨：哈尔滨工业大学 李明泉功率步进电机升降频过程的最优控制微电机， 陈隆昌，陈筱艳控制电机西安， 西安电子科技大学出版社， 王玉琳，王强步进电机的速度调节方法电机与控制应用， ， 陈爱国，黄文玲，杨红红步进电机升降速曲线的研究机电 产品开发与创新， （上接第页） （ ） 为了克服由于煤种变化引起给粉机下粉不通畅或 自流粉带来锅炉指令与锅炉总燃料量偏差过大给系统带 来扰动， 增加了以下报警及闭锁逻辑。 （） 为了克服 指令从中调传至 至 通道过程 出现的抖动、 坏质量、 超限

12、等给机组带来的振动， 增加了 如图 所示的控制逻辑。 图信号处理逻辑 图 总 结 自动发电控制 ） （ 是保证电网安全经济运行， 提高 电网自动化运行水平的措施之一。 按电网要求机组 月 投入率要 ， 若机组的 投入率达一不到电网要求， 则将按 “并网调度协议” 有关规定进行严格电量考核。 因 此， 机组经过控制策略优化后， 能够长期高品质投入 运行， 提高了机组自动化水平， 不但较大地减轻了运行人 员工作强度， 保证机组安全运行， 而且提高了机组经济效 益。 不但免去了电量考核， 反而争取了更多的上网发电 量， 间接地提高了电厂整体经济效益。 这些优化控制策略 一举解决了中间储仓式锅炉燃烧非设计煤种长期高品质 投入