步进电机加减速控制规律

步进电机加减速控制规律
【摘要】文章首先阐述了步进电机的概述。

然后分析了步进电机的技术现状，最后对步进电机加减速控制规律进行了探讨。

【关键词】步进电机，加减速控制，规律
一、前言
近年来，我国步进电机工程虽然取得了飞速发展，但依然存在一些问题和不足需要改进，在十八届三中全会深化改革精神指引下，加快实体经济发展推动产业转型升级的新时期，加强对步进电机加减速控制规律的掌控，推进步进电机在实体工业经济尤其是自动化设备中的应用，对步进电机技术的提高有着重要意义。

二、步进电机的概述
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。

由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

步进电机作为控制执行元件，是自动化设备的关键部件之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

例如，在仪器仪表、数控机床设备、木工机械、物流设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机只能够由数字信号控制运行的，当脉冲提供给驱动器时，在过于短的时间里，控制系统发出的脉冲数太多，也就是脉冲频率过高，将导致步进电机堵转。

要解决这个问题，必须采用加减速的办法。

就是说，在步进电机起步时，要给逐渐升高的脉冲频率，减速时的脉冲频率需要逐渐减低。

这就是我们常说的“加减速”方法。

步进电机转速度，是根据输入的脉冲信号的变化来改变的。

从理论上讲，给驱动器一个脉冲，步进电机就旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角）。

实际上，如果脉冲信号变化太快，步进电机由于内部的反向电动势的阻尼作用，转子与定子之间的磁反应将跟随不上电信号的变化，将导致堵转和丢步。

所以步进电机在高速启动时，需要采用脉冲频率升速的方法，在停止时也要有降速过程，以保证实现步进电机精密定位控制。

三、步进电机的技术现状
步进电动机出现于上世纪，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动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

在本世纪初，步进电动机的技术得到了长足的进步，到了80年代后，由于廉价的微型单片机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。

单片机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。

因此，用微型单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。

对于步进电动机国外早已发展高性能的混合式结构，我国混合式步进电机90年代才开始发展，混合式电机的使用量近年也在不断增长。

由于长期使用磁阻式电机，使得两种机型并存，造成与国外的差距加大。

在高性能、高技术含量电动机方面，如无刷直流电动机、交流伺服电动机、直线电机等差距更大一些。

这主要是由于我国电子技术落后，投入不足和人才短缺。

四、步进电机加减速控制规律
（一）指数型加减速优化控制方法
对于步进电机来说，如果想得到最快的加减速过程，就需要在每个频率下输出相应的最大转矩，即电机以最大的加速度来运行，就可以得到最快的加减速曲线。

（二）算法的修正与改进
由上面的理论方法得到的理论加减速曲线，在实际系统的应用中情况并不好，对于负载比较大的系统，所需的加减速台阶数过多，过程非常复杂，消耗了大量的系统资源，同时步进电机也出现了明显的失步情况，分析其原因在于每个速度只运行一步，还没有完全稳定就运行到更高的速度了，所以造成了系统的不稳定。

因此，曲线需要进行一定的修正，通过步进电机加减速实验寻找其中的规律，提供合理的制定优化曲线的方法。

1、最优加减速趋势
首先，需要知道电机在什么样的加减速趋势下，可以用最短的时间完成加减速过程。

所以，对于同一个负载，应用不同趋势的加减速曲线，观察哪种方式下运行最快。

必须获得采用加速较快的指数曲线趋势所用的时间、采用负载所对应的理论的加减速趋势所用的时间和采用加速较慢的指数曲线趋势所用的时间。

通过实验，我们发现对于负载来说按照理论上的优化曲线趋势下运行，比其它加减速趋势所用时间短，所以我们可以认为：虽然完全应用理论上的加减速曲线会有很多缺点，但是有理论求取的加减速趋势是非常合理的，带来了很好的快速性。

这里需要说明的是：为了保证步进电机正常运行，在应用这些曲线时进行了低频修正—增加低频运行时的步数，直到电机正常运行为止。

2、实验规律
虽然按照低频修正后理论上的加减速曲线运行，电机运行速度非常快，但是也存在一定的问题，加减速台阶过多，非常的复杂，给系统带来了一定的负担；系统缺乏连续性，负载的少量增加，就会导致系统无法正常运行；没有很好的规律性，对于不同的负载，设定加减速过程不方便。

为了减少运行台阶，对于理论计算得到的加减速曲线中的某些速度台阶，步进电机就直接跳过去，到下一个速度台阶。

我们通过实验发现了这样的规律：选取理论上的优化曲线中的一些台阶作为运行曲线，电机仍可以正常运行，但是要增加每个速度台阶的步数，同时所用的使电机正常运行的最小时间也将增长。

电机运行台阶数越多，使电机正常运行的最小时间也就越少。

同时，我们通过实验也发现：时间随着所取台阶数的减少而增长，但是对于加速过程和减速过程的影响是不同的。

随着索取台阶数的减少，加速过程所用时间明显增加，减速过程所用时间变化则较小。

（三）提出新优化方法
通过实际工作中的经验，归纳出了一种升降速曲线的优化方法：电机的加减速趋势采用理论计算得到的指数加减速曲线趋势，上升和下降的台阶数分别取相应的理论优化曲线的一半，然后每个上升台阶走５步，每个下降台阶走３步，这样就可以保证电机正常运行，而且有较快的速度，同时减少了运行的台阶数(见图1)，使曲线更简单，同时即使负载有少量的变化，电机也可以正常运行，使系统性能更好。

（四）匀加减速控制
在步进电机升速过程中,匀加减速运动是加速度保持一恒定值不变,速度以线性规律上升。

该种加速方法快速性较好,但由于速度呈线性上升或下降规律,不完全符合步进电机的速度变化规律,所以该种加减速控制方法效果不是十分理想。

通过匀加减速控制实验,步进电机处于负载状态下可以按预期的目标升降速,但是出现过冲量大、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。

（五）加速度控制
由于步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反电势,在升速过程中,频率越高,反电势越大。

在其作用下,电机随频率(或速度)增大而相电流减小,从而导致输出力矩下降。

所以,若步进电机升降速曲线不合理,会造成失步或堵转现象,从而直接影响到整机的精度与稳定性。

所以，必须要经过严格的理论计算与大量的实验来确定最佳的加减速控制方案。

由于步进电机为单片机主控,指数曲线在实际软件编程中比较麻烦,所以采用离散逼近法获得理想的升降速曲线,将事先算好的数据存贮在ROM内,在工作过程中直接读取。

步进电机以“突跳频率”启动,
并按指数规律上升。

在步进电机速度变化过程中,速度不是连续变化,而是按分档阶梯变化,每一个速度阶梯的运行时间都不同。

随着速度的上升,对应速度阶梯运行时间也呈上升趋势,即随着速度的上升,对应阶梯运行脉冲数也随之增加，电机升降速曲线图见图2。

五、结束语
随着步进电机技术的不断发展与完善，步进电机加减速控制规律将会得到更多管理者的重视，在市场竞争日趋激烈的背景下，步进电机加减速控制规律将会发挥着越来越重要的作用。

参考文献
[1]刘亚东，李从心，王小新．步进电机速度的精确控制［Ｊ］．上海交通大学学报，2001
[2]宋锦河，步进电机控制系统的快速实现[J]．鄂州大学学报．2004
[3] 陆春，步进电机细分调速系统的研究北京交通大学硕士毕业论文，2003。