步进电机升降速曲线控制方法
步进电机升降速曲线控制方法
步进电机升降速曲线控制方法在一些控制简单或要求低成本的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。
步进电机在这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行的关键。
失步和过冲现象分别出现在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，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。
系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。
为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如图1 所示的升降速控制。
600)this.width=600”border=0>从图1 可以看出，L2 段为恒速运行，L1 段为升频，L3 段为降频，按照“失步”的定义，如果在L1 及L3 段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，经常会影响系统的正常工作，因此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的升降速控制。
以下按不同的控制单元，介绍几种常用的步进电机升降速控制方法。
1、运动控制卡作上位控制单元——以MPC01 系列运动卡为例MPC01 系列运动控制卡可以作为PC 机运动控制系统的核心控制单元。
卡上的专用运动控制芯片可自动进行升降速计算。
其运动控制函数库中也有专门进行。
步进电机常用升降速控制方法说明
步进电机常用升降速控制方法说明步进电机常用的升降频控制方法有两种：直线升降频和指数曲线升降频。
指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。
直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。
以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单。
步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。
当信浓步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。
当步进电机运行频率fbfa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。
同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。
如果非常缓慢的升降速，信浓步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。
所以对信浓步进电机加减速要保证在不失步和过冲前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定位置。
1。
步进电机运动规律及速度控制方法
步进电机运动规律及速度控制方法姓名：吴良辰班级：10机设（2）学号：6学期我们专业开设了机电传动控制这么课，它是机电一体化人才所需要知识结构的躯体，由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以我么能从中了解到机电传动控制的一般知识，要掌握电机、电器、晶闸管等工作原理、特性、应用和选用的方法。
了解最新控制技术在机械设备中的应用。
在现代工业中，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包括控制电动机的一整套控制，以满足生产过程自动化的要求。
也就是说，现代机电传动是和各种控制元件组成的自动控制系统联系在一起。
机电系统一般可分为图一所示的三个部分。
图1 机电传动控制在没上这门课之前，在我自己认为，电机就是那些就是高中学的那些直流电动机，就是通电线圈在磁场转动。
那是直流电动机了，慢慢的我接触了交流电动机，刚开始知道220V市电。
记得大一下学期，我们金工实习了，看到工训下面那么多的车床，铣床，钻床……由于要提供大的功率，所以主电机都是选用380V。
上完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。
还说明知识是慢慢积累的过程。
见的多学的多。
我明白了很多以前的疑惑。
看到电视机上那些智能机器人，他们的活动很自如，就像仿生肌肉一样。
尤其是日本的机器人。
它的机械臂很有可能是步进电机控制的，还有一种说法是液压与气压控制的。
我觉的两者都有。
很有幸大一时候进入了第二课堂，在里面学到东西，也接触了步进电机，我是在学51单片机那时候也买了一个，就觉得很神奇。
在加上前几天参加了江西省电子设计大赛，我就感觉到要是要选控制类的题目做，步进电机是不能少的。
所以步进电机是个好东西。
我在网上查了一下资料，上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
很遗憾的是它是国外人发明的。
开始写正题了，上完这门课，那个步进电机是让我很痴迷的。
步进电机在位置控制，速度，控制方面有着卓越的作用，是其他电机无法比拟的。
步进电机运动规律及速度控制方法
步进电机运动规律及速度控制方法姓名：吴良辰班级：10机设（2）学号：201010310206学期我们专业开设了机电传动控制这么课，它是机电一体化人才所需要知识结构的躯体，由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以我么能从中了解到机电传动控制的一般知识，要掌握电机、电器、晶闸管等工作原理、特性、应用和选用的方法。
了解最新控制技术在机械设备中的应用。
在现代工业中，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包括控制电动机的一整套控制，以满足生产过程自动化的要求。
也就是说，现代机电传动是和各种控制元件组成的自动控制系统联系在一起。
机电系统一般可分为图一所示的三个部分。
图1 机电传动控制在没上这门课之前，在我自己认为，电机就是那些就是高中学的那些直流电动机，就是通电线圈在磁场转动。
那是直流电动机了，慢慢的我接触了交流电动机，刚开始知道220V市电。
记得大一下学期，我们金工实习了，看到工训下面那么多的车床，铣床，钻床……由于要提供大的功率，所以主电机都是选用380V。
上完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。
还说明知识是慢慢积累的过程。
见的多学的多。
我明白了很多以前的疑惑。
看到电视机上那些智能机器人，他们的活动很自如，就像仿生肌肉一样。
尤其是日本的机器人。
它的机械臂很有可能是步进电机控制的，还有一种说法是液压与气压控制的。
我觉的两者都有。
很有幸大一时候进入了第二课堂，在里面学到东西，也接触了步进电机，我是在学51单片机那时候也买了一个，就觉得很神奇。
在加上前几天参加了江西省电子设计大赛，我就感觉到要是要选控制类的题目做，步进电机是不能少的。
所以步进电机是个好东西。
我在网上查了一下资料，上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
很遗憾的是它是国外人发明的。
开始写正题了，上完这门课，那个步进电机是让我很痴迷的。
步进电机运动规律及速度控制方法
步进电机运动规律及速度控制方法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)脉冲定时为：(2)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。
令△/f0=δ，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)δ/2(4)1/fn=T1-(n-1)δ(5)联立(4)、(5)，并简化fn与tn的关系，得出加速阶段的数学模型为：(6)其中，是常数，其值与定时器初值及定时器变化量有关，A=-δ,B=(2T1+δ)2,C=8δ。
加速阶段脉冲频率的变化为：(7)从(6)、(7)式可以看出，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。
PWM的主要目的是让电流是正弦波，也就是细分。
他的目的是减小步进电机的震动。
简单地说如果你是用哪种恒定的高电平来驱动步进电机，那么低速情况下，因为步进电机每次都是全速从前一个位置到达下一个位置，因此，实际上步进电机所花费的时间会明显小于你的换相的周期，因此电机会出现震动。
而PWM的目的就是让步进电机加速度别那么快，保证转子从老位置到新位置所花费的时间正好等于换相周期。
并且在这个期间转子的转动速度是基本上恒定的。
步进电机的速度控制及运动规划.
步进电机的速度控制及运动规划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确定位时，一般来说都应包括“启动－加速－高速运行（匀速）－减速－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，如图1所示。
图1 步进电机的速度曲线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。
基于指数型曲线的步进电动机升降速控制方法
摘要 :传统的速度控制策略是匀加减速控制 , 无法使步进电动机的速度平稳地过渡到稳速运行状态 , 因 而不适用于动态性能要求较严格的场合 ;传统的控制器件多采用单片机 , 由于单片机是一种非并行执行的器 件 , 各信号之间的同步性将受到一定的影响 , 软件编程实现速度控制也较为繁琐 。 针对上述问题 , 文章在指 数型加减速曲线的速度控制理论的基础上 , 基于 CP LD 器件提出了一种脉冲连续可调的步进电动机升降速 控制方法 , 详细介绍了该方法的具体实现 。实际应用表明 , 脉冲连续可调的软件产生方法与硬件 CPL D 的 有机结合 , 较好地实现了步进电动机的升降速控制 , 避免了失步与过冲现象 , 节省了硬件资源 。
了按指数规律增长的特点 , 毫无疑问 , 当步进电动机
按照这样的频率运转时 , 效果是最佳的 。 在实际运
行中 , 该部分的控制流程如图 5 所示 , m 为离散化出 的点数 ;K 用来计算是否达到当前频率应该运行的 步数 。
依据上述的任意脉冲频率产生方法和 VH DL 语言设计流程 , 可以将整个设计归纳为如图 6 所示
各个 Δt 内运行的步数为 N i =[ f i Δt] , [ ] 表示取整 ,
按照四舍五入的原则 。将所有离散化的频率值之间
的步数值存入另一个数 N[ j] 中 。 在整个加速期间运
行的总步数为
i
N = ∑Nj j =1
降速曲线采用上述同样的方式处理 。
通过指数型曲线离散出的频率值已经严格符合
在 CPLD 内部实现脉冲分频常用的方法 是利 用计数器的不同位进行输出 。 但这种方法 1 个时刻 只能有 1 种偶数的分频频率出现 , 并且该频率值也
不一定适合驱动步进电动机[ 4 ～ 5] 。下面提出一种频 率合成的方法 :对一定范围内的频率 , 通过一种特殊 的分频方式产生互相不重叠的多种频率 , 再用一定 的组合方式来产生任意频率 , 使频率输出变得连续 可调 , 进而来适应步进电动机转速的不同频率需求 。 其原理如图 3 所示 。
8051单片机对步进电机的控制及步进电机升降速曲线的设计
从 $%& 、 （图 3 所示） 可知 $%& 变 $’& 对的关系曲线 在相同的电流增量 "!" 下， 化不如 $’& 变化敏感， "$’& 比 "$%& 要大得多， 并且退饱和现象发生时， $%& 变化 也小， 因而难以掌握， 工业上一般采用 $’& 监测法对 012 进行保护。 采用 $’& 监测法的自保护驱动电路， 都存在一个 保护死区， 即在 012 启动脉冲区段。 012 在开启过程 开启时， 中， $’& $’& 要经历一个从高到低的动态过程， 很高， 保护电路不能打开， 否则， 就不能正常驱动 012。 只有等到 012 充分导通后才能打开保护电路。因此， 当逆变桥输出口长时间短路时， 则 012 会受到启动脉 冲区段内的短路电流冲击。该电路能否对 012 实现 短路保护， 就取决于此时死区功率损耗是否超 过 了 012 的承受能力。
图.
台阶拟合法编制升速曲线
图1
查表法编制升速曲线
./.
直线拟合 直线拟合的原理图如图 ’ 所示。它的方法是通过
在步进电机降速曲线的设计时， 也同样有这些方 法。由于在步进电机降速过程中， 步进电机力矩增大， 所以对步进电机降速曲线的要求比升速曲线低一些， 降速过程和升速过程并不对称。在降速过程中， 只要 保证电机不超步即可， 步进脉冲频率下降的幅度不可 过大， 否则步进电机会由于惯性作用而超步。因此， 以 上几种方法相比较， 台阶拟合比较简单， 也比较容易做 到步进电机在短时间内降速。这样做可以延长步进电 机的升速时间， 使得升速曲线的编制更加合理。在使 用台阶法编制降速曲线时， 频率跳跃可以比升速曲线 大很多。一般可以是升速曲线频率跳跃的 . 倍。本控 制系统降速曲线的设计就使用这种方法， 降速曲线由 三段台阶跳跃拟合而成。 （下转第 "4 页）
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步进电机升降速曲线控制方法
技术分类:电机与运动控制发表时间：2007-07-09
在一些控制简单或要求低成本的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。
步进电机在这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行的关键。
失步和过冲现象分别出现在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，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。
系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。
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p; 为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如图1所示的升降速控制。
从图 1 可以看出，L2段为恒速运行，L1 段为升频，L3段为降频，按照“失步”的定义，如果在 L1 及 L3 段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，经常会影响系统的正常工作，因此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的升降速控制。
以下按不同的控制单元，介绍几种常用的步进电机升降速控制方法。
1、运动控制卡作上位控制单元——以MPC01系列运动卡为例
MPC01系列运动控制卡可以作为PC机运动控制系统的核心控制单元。
卡上的专用运动控制芯片可自动进行升降速计算。
其运动控制函数库中也有专门进行梯形升降速运动参数设置的函数——set_profile(int ch, double ls, double hs, double accel)。
其参数定义如下：
ch: 设定的轴号。
ls:?设定低速（起始速度）的值。
单位为pps（脉冲/秒）
hs: 设定高速（恒速段）的值。
单位为pps（脉冲/秒）
accel：设定加速度大小。
单位为ppss（脉冲/秒/秒）
用户在调用运动指令函数时，只需指定总的脉冲数，运动控制卡上的专用运动控制芯片便按照set_profile函数设置的运动参数自动进行升降速计算，而不会占用PC机的CPU 资源。
2、用具有运动控制功能的PLC做上位控制单元——以松下FP0系列PLC为例
松下FP0系列PLC具有专用的运动控制指令，其CPU单元可自动进行图1所示的升降速计算。
和MPC01系列运动控制卡相似，用户只需设置梯形速度的初速度ls、恒速hs、加速时间t和所需发的脉冲数P。
运行此程序段，当PLC检测到输入端X2的一个上跳变时，便自动执行如图1所示的升降速脉冲输出功能。
3、用单片机做上位控制单元
采用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。
采用定时器中断方式控制电机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。
单片机在控制电机加减速的过程中，一般用离散方法逼近理想的升降速曲线。
加减速的斜率在直线加速过程中，速度不是连续变化，而是按分档阶段变化，为与要求的升速斜率相逼近，必须确定每个台阶上的运行时间，见图3。
时间Δt越小，升速越快，反之越慢。
Δt的大小可由理论或实验确定，以升速最快而又不失步为原则。
每个台阶的运行步数为为Ns=fsΔt=sΔN，反映了每个速度台阶运行步数与当前速度s之间的关系，程序执行过程中，每次速度升一档，都要计算这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查，当减至零时，该档速度运行完毕，升入又一档速度。
电机在升速过程中，对升速总步数进行递减操作，当减至零时升速过程结束，转入匀速运转过程。
减速过程的规律与升速过程相同，只是按相反的顺序进行。
在步进电机的启停过程中，根
据控制系统的具体特点，采用上述三种升降速控制方式之一，都可以避免电机失步或过冲，达到比较精确的控制。