步进电机的加减速控制设计

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1、步进电机的加减速控制设计杨国良1，高瑞斌2(1．燕山大学，秦皇岛066004：2．康泰医学系统有限公司，秦皇岛066004)摘要：采用直线规律的升降速，用定时器控制发出脉冲的时间间隔，采用查表和计算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的控制。本系统采用以单片机为核心对步进电机进行的开环控制。由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。细分驱动技术是一种能有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术，广泛应用于对工况要求较高的场合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振动的系统。关键词：步进电机；单片机；速度控制；细分控制

2、0引言步进电动机具有快速起、停，精度高和能够直接接收数字信号等特点，目前步进电动机已广泛应用在数控机床、轧钢机、军事工业、钟表工业以及自动记录仪表等领域。正因为步进电动机的广泛应用，对步进电动机的控制的研究也越来越多。其中，对步进电动机的运行速度控制的研究是重点研究内容之一。步迸电动机是离散型自动化执行元件，它在系统中可实现的功能有：变换脉冲数为转轴的角位移；起电磁制动化、电磁差分器、电磁减速器和角位移发生器等作用。在负载的情况下，电动机的转速、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，它将电脉冲信号转变成角位移，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角，因此适

3、合单片机控制。采用单片机控制步进电动机具有功能强且价格低的优点，为步进电动机控制器提供了强有力的设计方案。1步进电机的速度控制和加减速控制1．1步进电机的速度控制控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出CP脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法确定CP脉冲的周期一种是延时，另一种是定时器。(1)延时方法这种方法是在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换相子程序，这样周而复始，即可发出一定频率的CP脉冲或换相周期。延时子程序的延时时间与换相子程序所用时间的和，即是CP脉冲的周期。这种方法的优点是程序简单，占用片内资源少，全部由软件实现。调用不同的子程序，就可以实现不

4、同速度运行。缺点是占用CPU时间太多，不能在运行中处理其他的工作。显然，这种方法虽然简单，但也只能用于较简单的控制过程。(2)定时器方法8051芯片内部有2个定时器，都是可编程的。利用定时器的定时功能可以产生任意周期的定时信号，从而可方便地控制系统输出CP脉冲的周期。．．126．．8051芯片内部的定时器TIMER0及TIMERl都是16位定时器，当定时器启动后，定时器从装载的处置开始对系统机器周期进行加计数，当计数值产生溢出时，即从#FFFFH变为#0000H时，定时器产生中断信号，中止主程序的执行，系统转为执行定时器中断子程序。我们将电机换相子程序放在定时器中断服务程序中，则定时器中断一

5、次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。这种定时程序只能产生不精确的定时。这是由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断结束共经过1000个机器周期，而从申请中断到系统响应中断，再到中断服务程序中对定时器进行装载都要花费一定得时间，这个时间形成附加的延时，导致电机运行速度与设定值不符。为实现精确定时，应将上述时间都计算在内。为此，应将定时器TL0与TH0两字节中已经计入的机器周期加在装载值的补码上。同时，在装载过程中需要停定时器，装载结束后再开定时器，实际的装载值也应把这段时间计算在内。1．2步进电机的加减速控制步进电机驱动执行机构眦点到B点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。如果

6、启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频瓤，步进电机要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低，如果非常缓慢的升降速，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，对步进电机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度(或最短的时间)移动到指定位置。为了满足加减速要求，步进电机运行通常按照加减速曲线运行。图l是加减速运行曲线。加减速运行曲线没有一个固定的模式，一般是根据经验和试验得到的。(a)匀加减速曲线(b)S形加减速曲线图1加减速运行曲线最简单的

7、是匀加速和匀减速曲线，如图la所示。其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电机的电磁转矩和转速时非线性关系，因而加速度与频率也应该是非线性关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时有可能造成因转矩不足而产生失步现象。采用指数加减速曲线或S形(分段指数曲线)加减速曲线是最好的选择，如图1b所示。因为电机的电磁转矩与转速的