步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法

孫家全

沈陽(yáng)漢為科技有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110000

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)主要可使用直線調(diào)速、指數(shù)調(diào)速、S型調(diào)速等曲線法，對(duì)電機(jī)的速度加以日調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)合的應(yīng)用。綜合對(duì)比，S型曲線法在步進(jìn)電機(jī)的加速、減速控制等方面較為連續(xù)，能夠保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行?？砂凑詹竭M(jìn)電機(jī)芯片型號(hào)差異，使用S曲線的加速和減速算法，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)實(shí)施動(dòng)態(tài)化調(diào)速，提高其運(yùn)行可靠性。

1 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的必要性及注意事項(xiàng)

1.1 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速必要性

步進(jìn)電機(jī)作為一種控制元件，使用過(guò)程，能夠轉(zhuǎn)化脈沖信號(hào)，將其變?yōu)榻俏灰啤⒕€位移等，只需要輸入脈沖，此時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸即可轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)步進(jìn)角。不但運(yùn)行精度高，而且沒(méi)有累計(jì)誤差，運(yùn)行的可靠性較高，在數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用廣泛。由于步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，工況穩(wěn)定性和脈沖頻率、數(shù)量等相關(guān)，因此，當(dāng)脈沖的頻率升高時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會(huì)隨之降低。若頻率到達(dá)一定程度，電機(jī)在特定脈沖周期內(nèi)不能轉(zhuǎn)過(guò)步進(jìn)角，就會(huì)導(dǎo)致“電機(jī)失步”或者“電機(jī)堵轉(zhuǎn)”等問(wèn)題發(fā)生。因此，需要采取有效的措施，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保其變速過(guò)程的穩(wěn)定性[1]。

1.2 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速注意事項(xiàng)

步進(jìn)電機(jī)屬于執(zhí)行元件的一種，在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程，步進(jìn)電機(jī)使用數(shù)量不斷增加。在調(diào)速期間，需要注意如下幾點(diǎn)內(nèi)容：

第一，通過(guò)數(shù)字信號(hào)，能夠?qū)ζ鋵?shí)施開環(huán)控制，并且系統(tǒng)造價(jià)低，能夠保持輸入脈沖、位移之間的對(duì)應(yīng)性，且步距不會(huì)產(chǎn)生誤差積累，開環(huán)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，精度一定，因此，控制過(guò)程也可利用閉環(huán)系統(tǒng)完成。

第二，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)無(wú)刷，故此，電機(jī)的本體部件相對(duì)較少，運(yùn)行過(guò)程高度可靠，啟動(dòng)和停止較為順利，能夠及時(shí)響應(yīng)，具備自鎖能力。

第三，步距角能夠在較大的范圍之內(nèi)選擇，當(dāng)步距較小的情況之下，也可保持低速、高轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，能夠不通過(guò)減速器，直接將負(fù)載驅(qū)動(dòng)。并且電機(jī)的速度能夠在寬泛環(huán)境之下進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，可使用1臺(tái)控制器，控制多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。

第四，步進(jìn)電機(jī)擁有的慣性負(fù)載相對(duì)較弱，由于工作過(guò)程，可能產(chǎn)生共振、失步等問(wèn)題，因此，電機(jī)加速、減速等狀態(tài)復(fù)雜。

2 步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法介紹

下文以STM32F103ZET6芯片為例，介紹了S曲線調(diào)速法，利用七段加減速方法，對(duì)于S曲線加以改進(jìn)，進(jìn)而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的安全、可靠運(yùn)行。

2.1 S曲線介紹

常用的S曲線主要是S算法。Sigmiod函數(shù)就是其中之一，表達(dá)式為：對(duì)該函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，可獲得電機(jī)的曲線圖，明確電機(jī)處于加速階段時(shí)，無(wú)加速度突變及拐點(diǎn)，曲線呈光滑狀態(tài)。由此可知，Sigmiod函數(shù)當(dāng)中加速曲線能夠使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不受剛性、柔性等沖擊，保證其加速環(huán)節(jié)平穩(wěn)工作。由于該函數(shù)當(dāng)中含有ex項(xiàng)，因此在函數(shù)處理階段運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。若處理時(shí)間大于變頻時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致曲線產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)變化，步進(jìn)電機(jī)難以平穩(wěn)運(yùn)行。

加速度的S曲線，包括5段的加速控制階段，分別為加速、減加速、勻加速、加減速、減速等曲線，還包括7段減速曲線。其中加速曲線當(dāng)中，加速和減速等過(guò)程，存在拐點(diǎn)，因此，運(yùn)動(dòng)過(guò)程可能產(chǎn)生柔性沖擊，而7段曲線主要是在5段曲線的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，能夠保證曲線穩(wěn)定性，然而曲線之上還存在諸多拐點(diǎn)，使得分段的區(qū)間增加，算法復(fù)雜，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)算效率產(chǎn)生影響。

2.2 曲線優(yōu)化

對(duì)于S曲線加速分段的區(qū)間較多，并且存在拐點(diǎn)問(wèn)題，可通過(guò)擬合曲線法將無(wú)線進(jìn)行優(yōu)化，成為單一的函數(shù)曲線，并找出擬合線性模型，使函數(shù)的損失值降到最低，可借助梯度下降原理以及正規(guī)方程等對(duì)回歸模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，最終得到方程表達(dá)式。

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

在步進(jìn)電機(jī)加速和減速等過(guò)程，主要是由初始頻率、變換頻率等組成，而S曲線則屬于頻率變化部分，對(duì)于STM32和DM542A型號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器展開控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)化調(diào)速。將步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)角設(shè)定1.8°，并且使其處于小于1000r/min的速度下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能良好。同時(shí)，對(duì)于STM32的72MHz主時(shí)鐘頻率展開4次分頻，當(dāng)作定時(shí)器時(shí)鐘頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于DM542A電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)施32細(xì)分，保證每個(gè)脈沖的位移角0.05625°，可保持90000Hz頻率之內(nèi)動(dòng)態(tài)化調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化范圍在0～844r/min之間。在頻率0～90000Hz之內(nèi)建立曲線模型，獲得最高加速度變頻量5000Hz/s，加速頻率變化為1000Hz/s2。之后對(duì)S曲線展開多次擬合，保留曲線在加速段的優(yōu)良特性，并將加速曲線拐點(diǎn)消除[2]。

2.4 動(dòng)態(tài)調(diào)速

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行期間，頻率變化處于離散狀態(tài)，因此，可使用等時(shí)長(zhǎng)方案以及等脈沖數(shù)方案進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)速期間，可在脈沖頻率不斷增加的過(guò)程，選取任意值，介于0～90000Hz之間，并建立S曲線，對(duì)調(diào)速范圍加以調(diào)整，對(duì)曲線模型展開壓縮和拉伸等調(diào)速，使其保持原有特征。之后，給定S曲線函數(shù)特定系數(shù)，使其增速，對(duì)于增速階段，可選擇等時(shí)間隔以及同頻脈沖的次數(shù)，確保動(dòng)態(tài)調(diào)速穩(wěn)定性和調(diào)速效率。在反復(fù)試驗(yàn)之后，顯示動(dòng)態(tài)調(diào)速的性能良好，同時(shí)，還可獲得相同脈沖之下，步進(jìn)電機(jī)無(wú)堵轉(zhuǎn)時(shí)初速度、增加速度、時(shí)間間隔等臨界關(guān)系表，進(jìn)而獲得三者之間穩(wěn)定關(guān)系表。按照穩(wěn)定關(guān)系，選擇間隔數(shù)值，作為動(dòng)態(tài)化依據(jù)，并將優(yōu)化之后曲線向S曲線的算法當(dāng)中寫入，當(dāng)作動(dòng)態(tài)調(diào)速核心，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化調(diào)整[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，通過(guò)上文對(duì)于步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的必要性和注意要點(diǎn)展開分析，利用S曲線的優(yōu)化方案，對(duì)加速度曲線拐點(diǎn)消除，簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜性，將代碼精簡(jiǎn)，能夠利用等時(shí)間隔數(shù)值，保持S曲線取值速度提升，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)展開靈活調(diào)速，保持其運(yùn)行的穩(wěn)定性。