步进电机的速度调节方法王玉琳pdf资料Word文件下载.docx
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frequency.Thefrequency-risingtableofthesteppermotorisgotbyanalyzing
thecharacteris-
ticsof
thetorque-frequencycurveofthemotorandacompletesoftwareflowchartoffrequency-rising
and
frequency-
falling
ispresented.Severalkindsofspeed-regulatingmethodshavebeenused
inmanyCNCmachine-toolsandthe
positioningaccuracyofthesteppermotorisraised,
therotationofthemotorbecomesmoresmoothandthe
speed-ris-
ingandspeed-fallingofthemotorareaccelerated.
Keywords:
steppermotor;
speedcontrol;
frequency-risingandfrequency-falling
0引言
控制脉冲的频率进行调节。
由于步进电机的转速
正比于控制脉冲的频率,所以调节步进电机脉冲
步进电机是一种数字电机,在经济型数控机
频率,实质上就是调节步进电机速度[3,7]。
床及自动化设备中应用广泛。
控制步进电机的转
本文将具体讨论步进电机的速度调节问题,
动需要3个要素:
方向、转角和转速[1,2]。
对于含
并结合实例给出软件实现的方法。
有硬件的驱动电源,方向取决于控制器送出的方
1步进脉冲的调频方法
向电平的高或低。
转角取决于控制器送出的步进
脉冲的个数。
而转速则取决于控制器发出的步进
对步进电机控制的一个中心问题就是速度调
脉冲之间的时间间隔[3,4]。
在步进电机的控制
节。
即产生一系列频率可调的步进脉冲序列,送
中,方向和转角控制简单,而转速控制则比较复
到驱动电源,控制电机绕组的轮流通电,实现电机
杂。
步进电机工作时,失步或过冲直接影响其定
的转动。
脉冲序列的产生用微处理器实现,有软
位精度。
在设计系统的时候,除了应正确选择步
件延时和硬件定时两种方法。
进电机和驱动电源[5,6]之外,还必须对步进电机
（1）软件延时:
通过调用标准的延时子程序
—53—
步进电机的速度调节方法《电机与控制应用》2006,33
（1）
来实现。
假定控制器基于AT89S52单片机[8],晶振频率为12MHz,那么可以编制一个标准的延时子程序如下:
DELAY:
MOVA,0DH
DEL2:
NOP
JZ
DEL2
CLR
C
RRC
A
DEL3:
DEL3
MOV
0DH,A
DJNZ
0DH,＄
DEL6:
A,0EH
JMP
DEL6
DEL5
D252:
MOV
R0,#53H
DEL4:
CALL
D252
D253:
NOP
DJNZ0EH,DEL4
R0,D253
DEL5:
RET
该子程序的入口为（0E）（0D）两个字节,若需要20000μs的延时,则给（0E）（0D）两个字节赋值4E20H,即执行下面程序:
0EH,#4EH
;
20000的十六进制码为4E20。
0DH,#20H
DELAY
调用标准延时子程序DELAY。
若要控制步进电机走100步,每两步之间延时20000μs,则汇编程序为:
0FH,#100D
准备走100步。
CONTI:
CALL
I-STEP
电机走一步（调用电机的
脉冲分配子程序）
20000的十六进制码为
4E20。
相邻步之间的延时（决
定电机的转速）。
0FH,CONTI
循环次数减1后,若不
为0则继续,循环100次。
可以看出,采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单,思路清晰,不占用硬件资源。
缺点是浪费CPU的宝贵时间,在控制电机转动的过程中,CPU不能做其它事。
（2）硬件定时:
假定控制器仍为AT89S52单
片机,晶振频率为12MHz,将AT89S52的T0作为定时器使用,设定T0工作在模式1（16位定时/计数器）。
今要求它能定时地发出步进脉冲,其定时中断产生的脉冲序列的周期（即步进电机的脉冲间隔）假定为20000μs,则可算出T0所对应的定时常数为B1EOH[8],CPU相应的程序如下:
主程序:
TMOD,#01H
设T0取工作模式1。
TH0,#0B1H
装入定时常数高8位。
TL0,#0E0H
装入定时常数低8位。
SETB
TR0
启动T0定时。
ET0
允许T0中断。
EA
允许CPU中断。
＄;
CPU等待T0的定时到。
中断服务程序:
关T0中断。
I-STEP
控制电机走一步（调用电机的脉
冲分配子程序）。
RETI
T0中断返回。
本例中,只要改变T0的定时常数,就可实现步进电机的调速。
这种方法既需要硬件（T0定时器）又需要软件来确定脉冲序列的频率,所以是一种软硬件相结合的方法。
它的缺点是占用了一个定时器。
在比较复杂的控制系统中常采用定时中断的方法,这样可以提高CPU的利用率。
2升降频方法及其实现
2.1升降频方法
当步进电机的运行频率低于它本身的起动频率时,步进电机可以用运行频率直接起动,并以该频率连续运行,需要停止的时候,可以从运行频率直接降到零速。
此时,电机运行于恒速状态,无需升降频控制。
当步进电机的运行频率fb>
fa（fa为步进电机有载起动时的起动频率）时,若直接用fb起动,由于频率太高,步进电机会丢步,甚至产生堵转。
同样,在fb频率下突然停止,步进电机会超程。
因此,当要求步进电机在运行频率fb下正常工作时,就需要采用升降频控制,以使步进
—54—
电机从启动频率fa开始,逐渐加速升到运行频率fb,然后进入匀速运行,最后的降频可以看作是升频的逆过程[2,7]。
步进电机常用的升降频控制方法有3种:
（1）直线升降频。
如图1所示。
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。
图1直线升降频
（2）指数曲线升降频。
如图2所示,这种方法是从步进电机的矩频特性出发,根据转矩随频率的变化规律推导出来的。
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,一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中[1,9]。
图2指数曲线升降频
（3）抛物线升降频。
如图3所示,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[9]。
2.2软件实现
步进电机在升降频过程中,脉冲序列的产生,即两个脉冲时间间隔的软件确定,有2种方法:
（1）递增/递减一定值[10]。
如线性升降频,
图3抛物线升降频
两脉冲频率的差值f=|fi-fi-1|是相等的,其对应的时间增量f也是相等。
时间的计算若采用软件延时的方法,可先设置一个基本的延时单元Te,不同频率的脉冲序列可由Te的不同倍数产生。
设起动时所用频率对应的时间常数为tNe,以后逐次递减t（设t=tMe）,直到等于运行频率fb所对应的时间（tRe）为止。
这种方法编程简单,节省内存。
时间计算也可采用定时中断的方法,可将定时常数逐次递增/递减一定值,实现升降频控制。
因其定时不是连续的,所以升降速曲线不是一条直线,而是折线,但可近似看成直线。
（2）查表法[10]。
为了对步进电机实现最佳升降频控制,缩短电机的升降频时间,可从步进电机矩频特性出发进行分析。
由步进电机的矩频特性（见图4,130BC3100A电机）可知,转矩M是频率f的函数（即角加速度dω/dt=M（f）/J,J为电机的转动惯量）,它随着f的上升而下降,所以它呈软的特性。
当频率较低时,转矩M较大,对应的角加速度dω/dt也较大,所以升频的脉冲频率增加率df/dt应取得大一些;
当频率较高时,M较小,dω/dt也较小,此时,升频的脉冲频率增加率df/dt应取小一些,否则,会由于无足够的转矩而失步。
因此,根据步进电机的矩频特性,可以看出:
在步进电机的升频过程中,应遵循“先快后慢”的原则。
按此要求,从开始升频到升至fb之间,按最佳升频要求的频率取出f1,f2,…,fn,并将它们所对应的脉冲间隔时间t1,t2,…,tn,依次存
图4步进电机的矩频特性曲线
—55—
于内存的一个数据区,如表1所示（称阶梯频率表）。
表1阶梯频率表
序号
频率
（时间）
备注
K1
fa（ta）
最低频率
K1+1
f1
（t1）
K1+2
f2（t2）
升
降
频
↓↑
K1+n
fn（tn）
最高频率
表3频率-步长表
K
fa（ta）
K+1
La
K+2
f1（t1）
K+3
L1
K+4
f2（t2）
K+5
L2
考虑到步进电机的惯性作用。
在升速过程
详细的步进电机升降频软件流程如图6所
中,如果速率变化太大,电机响应将跟不上频率的
示。
变化,出现失步现象。
因此,每改变一次频率,要
求电机持续运行一定步数（称阶梯步长）,使步进
电机慢慢适应变化的频率,从而进入稳定的运行
状态。
根据最佳升降频控制规律[9],可推出步进
电机的“频率-步长”关系曲线如图5所示。
图5频率-步长曲线
这样,升频时除需将阶梯频率表存于内存的一个数据区内外,还需建立另一个数据区,用来存放阶梯步长（如表2所示）。
在升频过程中,可用查表的方法,分别得到fi（ti）和所对应的Li,实现升降频控制。
软件上的具体做法是:
将fi（ti）和Li在EPROU中交替存放（如表3所示）,程序执行时按顺序取数,每次取出一个频率和该频率对应的步长。
表2阶梯步长表
步长（脉冲）
K2
+1
+2
+n
Ln
图6升降频的软件流程图
（下转第64页）
—56—
静态励磁系统的灭磁
《电机与控制应用》2006,33
（1）
V6继续导通60°
当t1
时刻触发V2时,由于此时
V2两端承受正向电压Ub-Uc而导通,一旦V2导
能后ACFCB立刻熄弧,转子通过V2、V5及自身
的电阻进行灭磁（灭磁电阻不起作用）。
由此看
来,ACFCB的电弧持续时间（t1～t0）最长为120°
电角度（在自然换相点开始燃弧时）。
而且,该电
弧靠电流自然过零而熄灭,不象DCFCB那样,靠
绝缘介质强度熄灭,这对开关触头的寿命有利。
当然,自然灭磁的时间较长,对于300MW的机
组,L=0.87H,Rf=0.
1253Ψ,时间约为7s。
【参考文献】
[1]UNITROL5000OperationandMaintenanceManual
[S].ABBIndustrieAG,2001.
[2]UNITROL5000ExcitationSystemforMediumand
LargeSynchronousMachine[S].ABBIndustrieAG,
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2001.
收稿日期:
2005-11-14
（上接第56页）
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