步进电机的速度控制专题

1、步进电机速度控制专题姓名:学号：班级：09级机械一班步进电机的速度控制步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号 （电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完 成数字模拟转化的执行元件。而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就 得到一个规定的位置增量。这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相 比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。因此，步进电机广泛应用于数控 机床、机器人、遥控、航天等领域，特别是微型计算机和微电子技术的发展，使 步进电机获得更为广泛的应用。步进电机的速度特性步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲

2、频率成 正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只 要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动 的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增 大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。为了充分发挥电 机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到 所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速 时间。为了保证电机的定位精度，在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度（等于或稍大于 启动速度）。因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并精

3、确定位时，一般来 说都应包括“启动一加速一高速运行（匀速）一减速一停止”五个阶段，速度特 性通常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性示。步进电机控制系统结构PC机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的8253计数器0赋初值，设置好 加减速过程的频率变化（即速度、加速度变化），以防止失步。例如，在点位控 制中设置好速度曲线图，在起动和升速时，使步进电机产生足够的转矩驱动负载， 跟上规定的速度和加速度；在减速时，下降特性使负载不产生过冲，停止在规定 的位置。硬件控制电路板上的8253产生脉冲方波作为中断信号源，启动细分驱 动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲，经功率放大后驱动步进电机运动。

4、步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。软件和硬件结合起来一起进行控制，具有电路简单、控制方便等优点。在这 种控制中，微机软件占用的存储单元少，程序开发不受定时限制。只要外部中断 允许，微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务，以实现多台步进电机 的运动控制。定时器初值的确定步进电机的实时控制运用PC机，脉冲方波的产生采用8253定时器，其计数 器0工作于方式0以产生脉冲方波，计数器1工作于方式1起记数作用，8253 计数器0的钟频由2MHz晶振提供。设计算机赋给8253计数器0的初值为D1， 则产生的脉冲方波频率为f1=f0/D1，周期为T1=1/f1=D1/f

5、0，D1=f0T1=f0/f1o 其中，f1为启动频率，f0为晶振频率。步进电机升降速数学模型为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求其最高运行频率应小于 （或等于）步进响应频率fs。在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反 转而不发生失步现象。步进电机升降速有两种驱动方式，即三角形与梯形驱动方 式（见图1），而三角形驱动方式是梯形驱动的特例，因而我们只要研究梯形方 式。电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加 速阶段，从启动瞬时开始，每产生一个脉冲，定时器初值减小某一定值，则相应 的脉冲周期减小，即脉冲频率增加；在减速阶段，定时器初值不断增加，则相应 的脉冲周

6、期增大，脉冲频率减小，对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。该设计的 关键是确定脉冲定时tn，脉冲时间间隔即脉冲周期Tn和脉冲频率fn。假设从启 动瞬时开始计算脉冲数，加速阶段的脉冲数为n，并设启动瞬时为计时起点，定 时器初值为D1，定时器初值的减量为。从加速阶段的物理过程可知，第一个 脉冲周期，即启动时的脉冲周期T1=D1/f0，t1=0。由于定时器初值的修改，第2 个脉冲周期T2=(D1-)/f0=T1-/f0，脉冲定时t2=T1，则第n个脉冲的周期为：Tn=T1-(n-1)/f0(1)脉冲频率为：1/fn=Tn=T1-(n-1)/f0(3)上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率fn和时间tn的关系。

7、令/f0=O，即 加速阶段相邻两脉冲周期的减量，则上述公式简化为：tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)6 /2(4)1/fn=T1-(n-1) 6在加速阶段，脉冲频率不断升高，且加速度以二次函数增加。这种加速方法 对步进电机运行十分有利，因为启动时，加速度平缓，一旦步进电机具有一定的 速度，加速度增加很快。这样一方面使加速度平稳过渡，有利于提高机器的定位 精度，另一方面可以缩短加速过程，提高快速性能。其中，A=-6 ,B=（2T1-6 ）2,C=86 , T1为减速开始时脉冲周期，6为减速阶 段相邻两个脉冲周期的增量。由于T16，则B=4T12，由（8）、（9）式可以 看出，脉冲频率在减

8、速阶段不断下降，且加速度为负，绝对值以二次函数减小。 这种减速性能对步进电机同样有利，它使步进电机在减速时能够平稳地停止而没 有冲击，提高了机器的定位精度。该方法已经成功的应用于智能运动控制单元，通过开发Windows环境下的控 制软件，利用VC+设计良好的控制接口界面，方便地实现了运动方式、速度、 加减速的选择和位置控制，具有一定程度的智能。该控制单元减少了 PC机被占 用时间，以便于在电机运行的同时去完成别的工作，从而实现了三台步进电机的 加减速和速度及位置控制。并且利用了细分驱动电源，提高了步进精度和定位精 度。基于SPMC75F2413A单片机的步进电机加减 速控制步进电机（脉冲电动机

9、）是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，是数字控 制的一种执行元件，其可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此 具有瞬间启动与急速停止的优越特性。步进电机在各种应用场合下最大的优势 是：可以开环方式控制而无需反馈就能对位置和速度进行控制，但也正是因为负 载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁 频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期 待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系 统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运

10、行的关键。本设计使用SPMC75F2413A作为该系统设计的控制器。SPMC75F2413A是 M,nSPTM系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一个16位结构的微控制 器。本设计中由SPMC75F2413产生脉冲信号，驱动电路使用由Allergo公司生 产的两相步进电机专用驱动器SLA7042M构成步进电机的驱动电路，执行机构 是两相混合式步进电机。1步进电机加减速控制原理S曲线加减速将传统的3段加减速过程变为7段加减速过程，形成S字形，如图1所示。加速段由加加速度段(T1)、匀加速度段(T2)、减加速度段(T3)组成； 减速段由加减速度段(T5)、匀减速度段(T6)、减减速度段(T7)

11、组成；而匀速段为(T4)。时间1图1 S曲线加减速过程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，如输人为脉冲数N，在规定的时间T内，其频率即为f。驱动脉冲的频 率f随时间t有：式中，fm为步进电机的最高连续频率，t是决定升速快慢的时间常数，实际工 作中可由实验来确定，已知系统达到匀速时的速度和系统达到最大速度所用的时 间。本系统使用单片机定时中断方式控制步进电机的速度，在升降速控制时，实 际上是不断改变定时器的装载值的大小。将升速过程离散处理，在设计中将加速时间固定为T=T1+T2+T3，为使说明方 便，令T2=0。这时加速段由3个变为2个，即加加速段与减加

12、速段。将T等分 为40个时间相同的时间段，即将加加速时间T1分为20等分，将加减速时间 T3分为20等分。则两次速度变化的间隔时间为At=T / 40，则每一档的频率可 由式(1)计算得出，在每一档频率下步进电机所执行的步数也可通过计算得出。2系统硬件图2为系统硬件设计结构框图。单虹&J血*如忑.曲散*uSPMC75F2413A SLA7O42M.二:午 Jmi 响堆山l I. II IIllJm-RvjV，无电传心房Cjjf 0图2系统硬件设计结构框图图2中，单片机是一款16位结构的微控制器。在4.5-5- 5工作电压范围内 的工作速度为0-24 MHz，拥有2 K字SRAM和32 K字闪存

13、ROM；IOAIOD4 组64位可编程I/O端口，5个通用16位定时器/计数器。该系统采用 S17MC75F2413A的IOB端口的IOB0IOB3位作为控制信号的输出端口，IOB4 位作为光电传感器的输入端口。步进电机易于与数字电路接口，但一般数字电路的信号能量远远不足以驱动 电机。因此，必须有一个与之匹配的驱动器来驱动步进电机。驱动器通过给电机 绕组提供特定的激磁电流，告诉电机需要运行多少微步。步进电机运行在整步模 式时，因为刚好与电机的机械设计特点相吻合。此时定转子齿正好完全对齐，且 绕组中流过的电流最大，步距角也最大。随着细分数的增加，步矩角相应减小。该系统采用Allergo公司生产的

14、驱动器SLA7042M，其本质上是利用数字量 输入控制输出电流，其内部的2个4 bit的移位寄存器分别接收由SerialData引 脚输入的电机相位信息和激磁电流比例数据。该4 bit的移位寄存器的第l位先载入相位信息，接着依次串行载入激磁电流比例数据的最低位，次低位，最后载 入最高位。驱动部分电路如图3所示。SLA7O42M11步进 电机J3NL SPLY5眼 SPLYGR。卵。AGR01/ND 8SENSE BOUT BMT 3orr hASTM 邸旺F/百顽卫 祯F7芒源SENSECLOCKCl.OCKSERIAL DATASERIAL 泓TA1617r/.LZ32, 2k4?Qk_图3

15、驱动部分电路3系统软件通过式（i）可计算出每个频率档的频率以及在该档内步进电机所走的步数，将 这40个档的频率以及各个档内所走的步数分别存入2个数组变量。该系统软件 程序首先判断步进电机是否能达到最大速度。当规定步进电机转动的步数少时， 步进电机不能达到最大速度，速度就要开始下降。这时首先应求出升速所能达到 的步数和频率，及降速所能达到的步数和频率。而减速过程和加速过程正好相反， 即就是将2个数组中存入的数据，按相反顺序输出。图4为步进电机S曲线加 减速软件流程。,冏】缴髓率在笫级频剖将频素及步数介别 存入.2卒裁组心2图4步进电机S曲线加减速软件流程使用凌阳SPMC75F2413A单片机，采

16、用S曲线增减速的方法有效控制了步进电机启动和停止过程中容易产生的失步及过冲现象。该控制方法有效、实用，已在数控切削系统中得到验证，结果稳定可行。计算出可以汶.翌 的烦率吸减速及卷（.与如 唾相反）N2小2十1书i.足寸N.E1+JLK2P+1步进电机的相关问题及解决办法一问：步进电机的噪声特别大，没有力，并且电机振动，怎么办？ 遇到这种情况是因为步进电机工作在振荡区，解决办法：改变输入信号频率CP来避开振荡区。采用细分驱动器，使步距角减少，运行平滑些。二问：当步进电机通电后，电机轴不转怎么办？有以下几种原因会造成电机不转：1.过载堵转2.电机是否已损坏 电机是否处于脱机状态4.脉冲信号CP是否

17、到零三问：步进电机驱动器通电后，电机在抖动，不能运转，怎么办？遇到这种情况，首先检查电机的绕组与驱动器连接又没有接错，如没有接错，再 检查输入脉冲信号频率是否太高，是否升降频设计不合理。若以上原因都不是， 可能是驱动器缺相，请速与我公司联系。四问：如何做好步进电机的升降曲线？步进电机的转速是随输入脉冲信号的变化而变化的。从理论上说，只要给驱动器 脉冲信号即可。每给驱动器一个脉冲（CP），步进电机就旋转一个步距角（细分 时为一个细分步距角）。但是，由于步进电机性能关系，CP信号变化太快，步进 电机将跟不上电信号的变化，这时会产生堵转和丢步现象。所以步进电机要在高 速时，必须有升速过程，在停止时必

18、须有降速过程。一般升速与降速规律相同， 以下以升速为例介绍：升速过程由起跳频率加升速曲线组成（降速过程反之）。起跳频率不能太大，否 则也会产生堵转和失步。升降速曲线一般是为指数曲线或经过修调的指数曲线， 当然也可采用直线或正弦曲线等。用户需根据自己的负载选择合适的响应频和升 降速曲线，找到一条理想的曲线并不容易，一般需要多次试机才行。指数曲线在 实际软件编程过程中比较麻烦，一般事先算好时间常数存储在计算机存储器呢， 工作过程中直接选取。五问：步进电机发烫，正常温度范围是多少？步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步。因此 电机外表允许最高温应取决于不同磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退 磁点都在摄氏130度以上，有的甚至还高。所以步进电机外表在摄氏80-90度完 全正常。六问：两相步进电机和四相步进电机有何不同？两相步进电机在定子上只有两个绕组，有四根出线，整步为1.8，半步为0.9 。 在驱动器中，只要对两相绕组电流通断和电流方向进行控制就可以了。而四相步 进电机在定子上有四个绕组，有八根出线，整步为0.9，半步为0.45，不过 驱动器中需要对四个绕组进行控制，电路相对复杂了。所以两相电机配两相驱动 器，四相八线电机有并联、串联、单极型三种接法。并联接法：四相绕组两两相 并，绕组的电阻与电感