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基于单片机步进电机速度控制研究

  
评论: 更新日期:2015年04月11日

    (3)带有ECC 的、4KB 至8KB DataFlash,用于实现数据或程序存储;
    (4)可配置8 、10 或12 位模数转换器(ADC),转换时间3μs;
    (5)支持控制区域网(CAN)、本地互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议模块;
    (6)带有16-位计数器的、8-通道定时器;
    (7)出色的EMC,及运行和停止省电模式。
    电机驱动电路的设计采用ULN2003芯片,ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成,其工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。
    基于步进电机升降速曲线的设计选用四相五线步进电机,最小步进角7.5度,通过电机驱动细分原理,可使最小步进角变为3.75度。四相电机常见的运行方式为四相四拍和四相八拍,四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时电机为正转,改变通电时序为DA-CD-BC-AB时电机则为反转.
    步进电机升降速曲线设计
    步进电机启动和停止的时候,一般情况下,系统的极限启动频率比较低,而要求的运行速度往往比较高,如果系统以要求的运行速度直接启动,因为该速度已经超过极限启动频率而不能正常启动,起则发生丢步,重则根本不能启动,产生堵转。系统运行起来后,如果达到终点时立即停止发送脉冲,令其立即停止,则由于系统惯性的作用,步进电机会转过控制器所希望的平衡位置,为了克服步进失步和过冲现象,应该在启动停止时加入适当的加减速控制。步进电机常用的升降频加减速控制方法有4种:
    3.1.直线升降频
    电机运动时,其运动过程是首先以一定的加速度加速运动,当速度达到指定的速度时,开始匀速运动,减速时,以一定的加速度减速运动到指定的速度后匀速运动或停下来。在步进电机升速过程中,直线规律速度控制是加速度保持一个恒定值不变,速度以直线规律上升,该种加减速方法快速性较好,控制方法计算简单, 所以适用于控制系统处理速度较慢且对升降速过程要求不高的场合。将影响电机和机械系统的使用寿命,这种方法是以恒定的加速度进行升降,平稳性好,适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长,但软件实现比较简单。
    以往研究表明,步进电机处于负载状态下可以按预期的目标升降速,但是反映出过冲量大,稳定性差,噪音大的现象。所以在短距离的步进电机加减速控制中不适合采用该方法。同时,由于这种速度控制方法的加速度是恒定的,其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性,步进电机在高速时会发生失步"因此,除部分特殊场合,线性规律控制已逐步退出历史的舞台。
    3.2.阶梯曲线升降频
    将步进电机的升降过程离散为一个不连续的区间,控制器件所发出的驱动脉冲受阶梯函数的控制,即步进电机的转速每跃升1个台阶后,恒速运转一段时间,通过反馈机制比较当前速度与目标速度是否一致,若不一致则相应的加或减一个脉冲档位,这种方法的缺点是在恒速阶段没有加速,未充分利用步进电机的加速性能,而且在高频段加速台阶高,步进电机在速度越阶时会发生失步。
    3.3.指数曲线升降频
    指数规律加减速是指在加减速过程控制中,步进电机的速度是指数规律上升或下降的。开始加速度最大,并且随着速度的升高而逐渐减小,速度上升得越来越慢。当速度上升至最高值时,加速度降低至最小,理想情况下应接近于0,用指数规律加减速能充分保证步进电机的运行稳定性,同时兼顾了升降运行快速性。事实上,用指数规律加减速完全可以满足短距离步进控制的要求。它符合步进电机加减速过程的运动规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性能较好,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。
    3.4.抛物线升降频
    抛物线升降频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,抛物线升降频很适合步进电机的加减速控制。但这种升降频算法的软件开销比较大,算法比较复杂,控制器处理的时间相对较长。

    步进电机因其有其独特的优点,广泛地应用于自动化控制系统中。随着科技的发展,对步进电机的智能化控制要求也将越来越高,我们也有必要对它进行进一步的研究。
 

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