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中国科技信息 年第 期 科 技 论 坛步进电机的速度调节方法 王玉琳 合肥工业大学机械与汽车工程学院 摘　要提出了步进电机的几种速度调节方法。脉冲频率调节采用软件延时或硬件定时 升降频采用直线升降法、指数曲线升降法或抛物线升降法。通过对步进电机矩频特性的分析 得出了步进电机的升频表格 并提供了一个完整的软件升降频流程图。几种调速方法应用在多种数控机床上 提高了步进电机的定位精度 改善了电机转动的平稳性 加速了电机的升降过程。关键词步进电机速度调节升降频中图分类号 文献标识码 ’ ’ 引言步进电机是一种数字电机 在经济型数控机床及其自动化设备中应用广泛。控制步进电机的转动需要三个要素方向、转角和转速 。对于含有硬件环分的驱动电源 方向取决于控制器送出的方向电平的高或低 转角取决于控制器送出的步进脉冲的个数 而转速则取决于控制器发出的步进脉冲之间的时间间隔 。步进电机工作时 失步或过冲直接影响其定位精度 在设计系统的时候 除了应正确选择步进电机和驱动电源 之外 还必须对步进电机控制脉冲的频率进行调节 也就是对步进电机速度进行调节 。本文将具体讨论步进电机的速度调节问题 并结合实例给出升降频调节软件实现的流程。 步进脉冲的调频方法对步进电机控制的一个中心问题就是速度调节 即产生一系列频率可调的脉冲序列 送给驱动电源 控制电机绕组轮流通电 实现电机的转动。 脉冲序列的产生用微处理器实现有两种方法。 软件延时通过调用延时子程序来实现。不管哪一种微处理器 执行指令总会耗费一定的时间。这种方法的缺点是浪费了 的宝贵时间 优点是思路清晰 程序简单 节省了硬件资源。 硬件定时通过设定某定时器工作在“定时到中断”的模式来产生步进脉冲。用软件改变定时器的时间常数 就可实现步进电机的调速。缺点是占用了一个定时器 优点是定时器在定时的过程中 可以处理其它事务 提高了利用率。 升降频方法及其实现 升降频方法当步进电机的运行频率低于它本身的启动频率时 可以用运行频率直接启动 并以该频率连续运行 需要停止的时候 可以从运行频率直接降到零速。此时 电机运行于恒速状态 无需升降频控制。当步进电机的运行频率动时的启动频率 时 若直接用 启动 由于频率太高 电机会丢步 甚至产生堵转 同样 在然停止 电机会超程。 因此 当要求步进电机在运行频率电机从启动频率然后进入匀速运行 最后的降频可以看作是升频的逆过程。步进电机常用的升降频控制方法有以下三种 为步进电机有载启频率下突下正常工作时 就需要采用升降频控制 以使开始 逐渐加速升到运行频率 直线升降频。这种方法是以恒定的加速度进行升降的 平稳性好 适用在速度变化较大的快速定位方式中。加速时间虽然长 但软件实现比较简单。 指数曲线升降频。这种方法是从步进电机的运行矩频特性出发 根据转矩随频率的变化规律推导出来的 它符合步进电机加减速过程的运动规律 能充分利用有效转矩 快速响应好 升降时间短。指数升降控制具有较强的跟踪能力 但当速度变化较大时平衡性较差 一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。 抛物线升降频。这种方法将直线升降频和指数曲线升降频融为一体 充分利用步进电机低速时的有效转矩 使升降速的时间大大缩短 同时又具有较强的跟踪能力 这是一种比较好的方法 。 软件实现步进电机在升降频过程中 脉冲序列的产生 即两个脉冲时间间隔的软件确定 有两种方法 递增 递减一定值。如线性升降频 两脉冲频率的差值Δ 增量Δ 也是相等的。时间的计算若采用软件延时的方法 可先设置一个基本的延时单元 不同频率的脉冲序列可采用 的不同倍数产生。设启动时所用频率对应的时间常数为 以后逐次递减Δ 设Δ 对应的时间 为止。这种方法编程简单节省内存。时间计算也可采用定时中断的方法 可将定时常数逐次递增 递减一定值 实现升降频控制 因其定时不是连续的 所以升降速曲线不是一条直线 而是折线 但可近似看成直线。 查表法。为了对步进电机实现最佳升降频控制 缩短升降频时间 可从步进电机矩频特性出发进行分析。由步进电机的矩频特性 可知 转矩 是频率 的函数即角加速度 ω 为电机的转动惯量 它随着 的上升而下降 所以它呈软的特性。当频率较低时 转矩较大 对应的角加速度 ω 也较大 所以升频的脉冲频率增加率 应取得大一些当频率较高时 较小 ω 也较小 此时 升频的脉冲频率增加率 应取小一些 否则 会由于无足够的转矩而失步。因此 分析步进电机的矩频特性 可以看出 在步进电机的升频过程中 应遵循“先快后慢”的原则。 按此要求 从开始升频到升至频要求的频率取出 是相等的 其对应的时间 直到等于运行频率所之间 按最佳升、、… 将它们依次存于内存的一个数据区称阶梯频率表 。考虑到步进电机的惯性作用 在升速过程中 如果速率变化太大 电机响应将跟不上频率的变化 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步数称阶梯步长 使步进电机慢慢适应变化的频率 从而进入稳定的运行状态。根据最佳升降频控制规律 可推出步进电机的“频率—步长”关系表称阶梯步长表 。这样 除需建立一个阶梯频率表外 还需建立一个阶梯步长表在升频过程中 可用查表的方法 分别得到的Δ 实现升降频控制。软件上的具体做法是将顺序取数 每次取出一个频率和该频率对应的步长。详细的步进电机升降频软件流程如图所示 。与其所对应和Δ在 中交替存放 程序执行时按 结束语本文提出的步进电机的速度调节方法 成功地应用在多种经济型数控机床上 包括两坐标车床、四坐标铣床、高速冲床、中频淬火机床等。实践表明 由于选用了适当的升降频 提高了机床的定位精度 改善了运动部件的平稳性 缩短了步进电机的升降时间 提高了劳动生产率。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出版社 王玉琳 步进电动机可变细分驱动器 微特电机 王玉琳 三相反应式步进电机的一种实用驱动电路 电力电子技术 李明泉 功率步进电机升降频过程的最优控制 微电机 王玉琳 型车床闭环控制系统的研究与应用 合肥合肥工业大学 王玉琳 基于 单片机的 显示数控系统 机械与电子 王玉琳 经济型数控车床的闭环控制 机械制造 王玉琳 一种经济实用的四坐标铣床数控系统 机电一体化 下转第 页