步进电机的速度调节方法解读.docx
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步进电机的速度调节方法解读
变频与调速步进电机的速度调节方法
王玉琳1, 王 强2
（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230069;
2.合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥 230009
摘 要:
提出了步进电机的几种速度调节方法。
脉冲频率的调节采用软件延时或硬件定时。
升降频采用直线升降法、指数曲线升降法或抛物线升降法。
给出了脉冲频率调节的实用程序,通过对步进电机矩频特性曲线的分析,得出了步进电机的升频表格,并提供了一个完整的软件升降频流程图。
几种调速方法应用在多种数控机床上,提高了步进电机的定位精度,改善了电机转动的平稳性,加速了电机的升降过程。
关键词:
步进电机;速度控制;升降频
中图分类号:
TM301.2∶TM383.6 文献标识码:
A 文章编号:
100128085（20060120053204
MethodsofSpeedRegulationforStepperMotor
WANGYu2lin, WANGQiang
（1.SchoolofMechanical&AutomotiveEng.,HefeiTechnologyUniv.,Hefei230069,China;
2.SchoolofMaterialScience&Eng.,HefeiTechnologyUniv.,Hefei230009,China
Abstract:
Severalkindsofmethodsofspeedregulationforsteppermotorarepresentedinthepaper.Thefre2quencyoffeedingpulsesisregulatedbysoftware’sdelayingorhardware’stiming.Thefrequency2risingandfrequency2fallinguselinearmethod,exponentialcurvemethodandparaboliccurvemethod.Thepracticalprogramsaregivenfortheregulatingofpulses’frequency.Thefrequency2risingtableofthesteppermotorisgotbyanalyzingthecharacteris2ticsofthetorque2frequencycurveofthemotorandacompletesoftwareflowchartoffrequency2risingandfrequency2fallingispresented.Severalkindsofspeed2regulatingmethodshavebeenusedinmanyCNCmachine2toolsandthepositioningaccuracyofthesteppermotorisraised,therotationofthemotorbecomesmoresmoothandthespeed2ris2ingandspeed2fallingofthemotorareaccelerated.
Keywords:
steppermotor;speedcontrol;frequency2risingandfrequency2falling
0 引 言
步进电机是一种数字电机,在经济型数控机床及自动化设备中应用广泛。
控制步进电机的转动需要3个要素:
方向、转角和转速[1,2]。
对于含有硬件的驱动电源,方向取决于控制器送出的方向电平的高或低。
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脉冲之间的时间间隔[3,4]。
在步进电机的控制中,方向和转角控制简单,而转速控制则比较复杂。
步进电机工作时,失步或过冲直接影响其定位精度。
在设计系统的时候,除了应正确选择步进电机和驱动电源[5,6]之外,还必须对步进电机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频率,实质上就是调节步进电机速度[3,7]。
本文将具体讨论步进电机的速度调节问题,并结合实例给出软件实现的方法。
1 步进脉冲的调频方法
对步进电机控制的一个中心问题就是速度调节。
即产生一系列频率可调的步进脉冲序列,送到驱动电源,控制电机绕组的轮流通电,实现电机的转动。
脉冲序列的产生用微处理器实现,有软件延时和硬件定时两种方法。
（1软件延时:
通过调用标准的延时子程序
《电机与控制应用》2006,33（1步进电机的速度调节方法
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,0DHDEL2:
NOP
JZDEL2NOP
CLRCNOP
RRCADEL3:
NOP
JZDEL3NOP
MOV0DH,ANOP
DJNZ0DH,$DEL6:
MOVA,0EH
JMPDEL6JZDEL5
D252:
MOVR0,#53HDEL4:
CALLD252
D253:
NOPDJNZ0EH,DEL4DJNZR0,D253DEL5:
RET
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:
MOV0EH,#4EH;20000的十六进制码为4E20。
MOV0DH,#20H
CALLDELAY;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:
MOV0FH,#100D;准备走100步。
CONTI:
CALLI-STEP;电机走一步（调用电机的
脉冲分配子程序
MOV0EH,#4EH;20000的十六进制码为
4E20。
MOV0DH,#20H
CALLDELAY;相邻步之间的延时（决
定电机的转速。
DJNZ0FH,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:
MOVTMOD,#01H;设T0取工作模式1。
MOVTH0,#0B1H;装入定时常数高8位。
MOVTL0,#0E0H;装入定时常数低8位。
SETBTR0;启动T0定时。
SETBET0;允许T0中断。
SETBEA;允许CPU中断。
$;CPU等待T0的定时到。
中断服务程序:
CLRET0;关T0中断。
CALLI-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f
b
>fa（fa为步进电机有载起动时的起动频率时,若直接
用f
b
起动,由于频率太高,步进电机会丢步,甚至
产生堵转。
同样,在f
b
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f
b下正常工作时,就需要采用升降频控制,以使步进
步进电机的速度调节方法《电机与控制应用》2006,33（1
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Δf=|fi-fi-1|是相等的,其对
应的时间增量Δf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Δt（设Δt=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d
ω/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d
ω/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,d
ω/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
《电机与控制应用》2006,33（1步进电机的速度调节方法
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K1fa（ta最低频率
K1+1f1（t1K1+2
f2（t2
…
…
升频
↓↑
降频
K1+n
fn（tn
最高频率
考虑到步进电机的惯性作用。
在升速过程
中,如果速率变化太大,电机响应将跟不上频率的变化,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2步长”关系曲线如图5所示
。
图5 频率2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ΔLi,实现升降频控制。
软件上的具体做法是:
将fi（ti和ΔLi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
序号
步长（脉冲
K2ΔLaK2+1ΔL1K2+2
ΔL2…
…K2+n
ΔLn
表3 频率2步长表
Kfa（ta
K+1
ΔLa
K+2f1（t1
K+3
ΔL1
K+4f2（t2
K+5
ΔL2…
…
详细的步进电机升降频软件流程如图6所
示
。
图6 升降频的软件流程图
（下转第64页
步进电机的速度调节方法《电机与控制应用》2006,33（1
图6 采用ACFCB时的自然灭磁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Ub2Uc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（t
1
~t
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,R
f
=0.1253Ω,时间约为7s。
【参考文献】
[1] UNITROL5000OperationandMaintenanceManual
[S].ABBIndustrieAG,2001.
[2] UNITROL5000ExcitationSystemforMediumand
LargeSynchronousMachine[S].ABBIndustrieAG,
2001.
收稿日期:
2005211214
（上接第56页
3 结 语
本文提出的步进电机的速度调节方法,成功地应用在多种经济型数控机床上[11~13],包括2坐标车床、4坐标铣床、高速冲床、中频淬火机床等。
实践表明:
只要选用了适当的升降频便可提高机床的定位精度、改善运动部件的平稳性、缩短步进电机的升降时间、提高劳动生产率。
【参考文献】
[1] 王宗培.步进电动机及其控制系统[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1986.
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上海科学
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北京理
工大学出版社,1996.
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西安电子科
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[10] 王玉琳.CK2I型车床闭环控制系统的研究与应用
[D].合肥:
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[12] 王玉琳.经济型数控车床的闭环控制[J].机械制
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[13] 王玉琳.一种经济实用的四坐标铣床数控系统
[J].机电一体化,2004（3.
收稿日期:
2005203217
静态励磁系统的灭磁《电机与控制应用》2006,33（1
升级会员 