步進電機S曲線的研究

馬娟

摘 要：隨著技術(shù)的進步和電子技術(shù)的發(fā)展，合理選擇步進電機的升降速運行曲線，在不失步和不發(fā)生過沖的前提下，盡量提高其運行速度，對于充分發(fā)揮步進電機的工作性能，有著十分重要的意義。文章對S曲線加減速算法進行了深入的研究，推導出了一種實用可行的曲線加減速計算通式，并采用臺階擬合的方法擬合S曲線。實驗證實，這種S曲線可以提高步進電動機升降速過程中的平滑性，在變速運行時不會產(chǎn)生失步。

關(guān)鍵字：步進電機 S曲線 臺階擬合

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）4（c）-0000-00

步進伺服系統(tǒng)通常采用開環(huán)伺服的結(jié)構(gòu)形式，步進電機做為伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件，是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種機電執(zhí)行元件，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與電脈沖數(shù)成正比，速度與脈沖信號的頻率成正比，運動方向由步進電機通電的順序來決定。在空載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率，轉(zhuǎn)過的角度取決于脈沖數(shù)，因此通過控制輸入的脈沖信號數(shù)、脈沖信號頻率及電機繞組通電的相序，便可控制電機轉(zhuǎn)動的角位移和速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電動機的控制線路簡單，使用方便、可靠，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域。在數(shù)控機床行業(yè)中，步進電機經(jīng)常被用于精確定位場合，因此合理選擇步進電機的升降速運行曲線，保證電動不發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象，對于充分發(fā)揮步進電機的工作性能，有著至關(guān)重要的意義。

1 步進電動機的主要特性

步進電機的步距角是決定開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。當步進電機接收一個適當?shù)碾娒}沖信號時，轉(zhuǎn)子就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個角度稱為步距角 。它是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步進電機連續(xù)輸入脈沖信號，轉(zhuǎn)子就會相應(yīng)地連續(xù)轉(zhuǎn)動。在數(shù)控機床領(lǐng)域，若步進電機的步距角越小，則表明其加工零件的精度越高。步距精度是指理論的步距角和實際值之差，造成誤差的主要因素有步進電機齒距制造產(chǎn)生的誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等產(chǎn)生的誤差。

通常情況下，空載的步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，進入不失步的正常運行所允許的最

高起動頻率，稱為起動頻率或突跳頻率。起動頻率與負載有關(guān)，一般隨著負載慣量的增長而

下降。步進電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩是指在電動機轉(zhuǎn)子運行的過渡過程尚未達到穩(wěn)定值時電動機產(chǎn)生

的力矩，也即某一頻率下最大負載轉(zhuǎn)矩。動態(tài)力矩隨脈沖時間的不同，也就是隨控制脈沖頻

率的不同而改變，兩者之間的關(guān)系稱為矩頻特性。由步進電機的矩頻特性可知，脈沖頻率愈

高，輸出轉(zhuǎn)矩愈小。步進電機起動后，運行頻率遠大于起動頻率，這是由于起動時有較大的

慣性扭矩并需要一定加速時間的緣故。

2 S曲線加減速算法

步進電動機作為進給運動控制，在工作頻率高于起動頻率的情況下，電動機若要停止，

脈沖頻率必須逐步下降。同樣，當要求工作頻率在最高值或者高于起動頻率的情況下，要使

電動機的工作頻率大于起動頻率時，脈沖速度必須逐步上升。當脈沖頻率高到一定程度時，

其輸出轉(zhuǎn)矩已不能克服自身的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就會在原位置出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。在這

種情況下，加速和減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。在步進電機啟停的設(shè)置中，

的應(yīng)盡量縮短啟動加速和停止減速時間，來提高其快速性。因此，選擇合理的運行曲線是步

進電機速度控制的關(guān)鍵。依據(jù)步進電動機的轉(zhuǎn)速公式[2]

正常情況下， 加減速曲線圖如圖1，運行過程可分為7段：加加速段 、勻加速段 、減加速段 、勻速段 、加減速段 、勻減速段 、減減速段 。

分析 曲線圖可知，設(shè)計加減速算法時，只需要確定三個基本的系統(tǒng)參數(shù)：初始頻率 、最大頻率 、特性時間常數(shù) （啟動頻率到達最大頻率所需的時間）便可確定整個運行過程。假設(shè)步進電機的降速軌跡是升速軌跡的鏡像，則實際應(yīng)用中只須考慮升速階段的曲線分析。在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)表中可由用戶輸入 ， 和 ，瞬時頻率等由數(shù)控系統(tǒng)自動計算。具體推導如下：

3 調(diào)速曲線的臺階擬合方法及實現(xiàn)

為了避免步進電機出現(xiàn)失步現(xiàn)象，必須使其本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，同時還要保證脈沖信號具有一定的寬度。由于步進電機在起動階段的輸出力矩明顯減小，因此，合理設(shè)計步進電機的升速曲線尤其重要。由于步進電動機的運行方式是步進的，所以對頻率的升速曲線進行合理有效的擬合處理，能夠達到良好的效果。升速曲線擬合常用的方法有臺階擬合、直線擬合和查表法等。

臺階擬合的原理圖如圖2所示。這種方法是通過多段的頻率跳躍逐漸達到比較高的頻率，且頻率變化時間間隔采用遞減的設(shè)計方案，升速過程中，初始階段頻率跳躍比較大，每一個頻率段持續(xù)時間較長，隨著頻率的升高，頻率段持續(xù)時間逐漸減少，直至頻率升至工作頻率。這種方法程序設(shè)計簡單，且擬合效果好，頻率在達到其穩(wěn)定狀態(tài)的過程中精度越來越高。

4 仿真結(jié)果

現(xiàn)以數(shù)據(jù)采樣插補的直線加工控制為例，介紹實現(xiàn)S曲線升速控制的過程。初始參數(shù)設(shè)定為： ， ， ， 。Matlab 仿真軟件仿真所得步進電動機升速曲線經(jīng)臺階擬合后的曲線如圖3所示。

從采樣數(shù)據(jù)可以看出，升速過程中，初始階段頻率跳躍逐漸增大，每一個頻率段持續(xù)的時間較長；隨著頻率的逐漸升高，相應(yīng)頻率段持續(xù)的時間也逐漸減少，直至頻率升至工作頻率。將該采樣數(shù)據(jù)應(yīng)用于步進電機的啟動階段，取得了良好的效果。

5 結(jié)語

本文依據(jù)步進電動機的主要性能，合理設(shè)計了步進電動機升降速變化規(guī)律的曲線，并通過實例仿真驗證了S曲線加減速算法的有效可行性，達到良好的快速響應(yīng)性，并根據(jù)實際情況適當調(diào)節(jié)升降速時間，可有效防止失步和過沖現(xiàn)象，是一種實用的算法。

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