一种可变细分数的步进电机加减速控制方法

摘要

本发明属于步进电机控制领域，具体涉及一种可变细分数的步进电机加减速控制方法。本发明包括：(1)设定基本参数，确定步进电机加减速运行方式；(2)通过已转过角度α与步骤(1)中设定的参数确定下一步运行所需最小细分数N

说明书

技术领域

本发明属于步进电机控制领域，具体涉及一种可变细分数的步进电机加减速控制方法。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲信号转变为角或者线位移的电磁执行机构，由于它在开环控制情况下也具有高精度、无积累误差等优点，被广泛应用于数控系统中。要实现步进电机的快速准确的定位，就要防止失步和过冲现象的发生，并以最快的速度到达指定的位置，所以步进电机的加减速控制，提高快速运行都是数控系统的关键技术之一。

由步进电机的矩频特性曲线可知，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速地达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速3个阶段，要求加减速过程时间尽量短，恒速时间尽量长。

考虑到步进电机控制脉冲频率受到控制器及电机自身响应速度的限制，控制脉冲频率不可能无限增大，因此需要一种既保证运行精度，又能尽快达到期望角度的加减速控制方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种在保证运行精度的同时，快速达到期望角度，增加步进电机系统的实时性与稳定性的可变细分数的步进电机加减速控制方法。

本发明的目的这样实现：

(1)设定基本参数，确定步进电机加减速运行方式；

(2)通过已转过角度α与步骤(1)中设定的参数确定下一步运行所需最小细分数N_min；

(3)根据步骤(2)得到的N_min计算单步运行时间T_i，以此时间作为周期产生控制脉冲，控制步进电机运行，单步运行结束后更新已转过角度α。

将所述的步进电机加减速运行过程分为加速阶段、减速阶段、匀速阶段。

所述的基本参数为最小控制周期T_min、期望角度D、最大细分数N_max、加速阶段运行步数占期望运行角度百分比X₁、减速阶段运行步数占期望角度百分比X₂。

所述的步进电机步距角θ的范围内，确定可使步进电机单步转过尽量大的角度，同时单步运行结束后，各阶段内已转过角度不超过期望运行角度的最小细分数N_min。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供了一种可变细分数的步进电机加减速控制方法，使步进电机能够准确定位，防止失步和过冲现象的基础上，缩短了系统达到期望角度的时间，增加步进电机系统的快速行。方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种步进电机加减速方法原理控制框图。

图2为本发明中确定最小细分数流程图。

图3为本发明在梯型加减速方式下步进电机转速图。

图4为本发明在抛物线型加减速方式下步进电机转速图。

图5为本发明在指数型加减速方式下步进电机转速图。

图6为未采用本发明方法控制下梯型加减速方式步进电机转速图。

图7为未采用本发明方法控制下抛物线型加减速方式步进电机转速控制图。

图8为未采用本发明方法控制下指数型加减速方式步进电机转速图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明公开了可变细分数的步进电机加减速控制方法，本发明的技术方案要点为：在期望角度内，分析各阶段内速度变化规律，在保证位移精度与速度变化规律的前提下，推导出步进电机每一步所需时间以及位移大小。在脉冲频率相同的情况下步进电机每步位移越长，转过相同角度所需时间越短。该方法提供了一种变细分数的步进电机控制方法，在保证运行精度的前提下，缩短了运行时间，有效提高步进电机系统实时性，方法简单，易于实现。

结合图4，以抛物线加减速方式下的步进电机为例。很据输入设定期望角度D，最大细分数N_max，加速阶段转动角度占总角度百分比X₁，减速阶段转动角度占总角度百分比X₂，最小控制脉冲周期T_min；假设在0≤t≤T_a的时间内为加速阶段，对于抛物线加速过程，角速度ω与时间t的关系为由运动学方程可知，对上式积分可得角位移θ与t的关系为：

$>\theta =\frac{2}{3}{\mathrm{at}}^{\frac{3}{2}}$>

因初速度为0，加速阶段在T_a时刻结束，所以T_a时刻角位移为DX₁,并达到最大速度ω_max,可推导出进一步可得

若t某时刻步进电机角位移为α，加速阶段剩余角度为先使细分数N＝1，若θ₀除以步距角θ的商大于1，则下一步转过角度为θ，否则细分数扩大2倍重复计算最大步距角，直至N＝N_max，得到可执行的最小细分数N_min。

由角位移与时间表达式可知转过α所用时间为转过的时间为则此走过的时间为T_i＝T₂-T₁，加速阶段每一步控制周期与已走距离关系为

$>T_i=\sqrt[3]{{\left[\frac{3(\alpha +\frac{\theta }{N_{\min }})}{2\sqrt{\frac{2{{\omega }_{\max }}^2}{3{\mathrm{DX}}_1}}}\right]}^2}-\sqrt[3]{{\left[\frac{3\alpha }{2\sqrt{\frac{2{{\omega }_{\max }}^2}{3{\mathrm{DX}}_1}}}\right]}^2}.$>

匀速阶段角位移为D(1-X₁-X₂)，同理确定每一步最小细分数N_min，每一步控制脉冲周期

减速阶段可视为反向加速，可得每一步控制周期与已走距离关系为

每一步执行完成后更新α，为下一步运行做准备。

实施例

本发明采用步进电机步距角为1.8°，设置最小控制周期0.000009375s，最大细分数为64，期望角位移360°，加速减速角位移占期望角位移百分比分别为20％。

图7是未采用本发明方法控制下的抛物线加减速方式转速图。可以看出加速阶段电机转速按照抛物线形式增加，匀速时转速不变，减速阶段电机转速按照抛物线形式减小，整个过程用时约0.14s。图3是采用本发明方法控制下的抛物线加减速控制方式转速图。加减速阶段均按照抛物线形式变化，整个过程用时约0.0022s，加、减速阶段时间均有减小，且整个运行过程中所用步数与未采用本发明方法的转速曲线相比明显减少。

综上可知，采用步进电机加减速运行的控制方法，提供了一种步进电机快速响应的方法，快速到达期望角位移；在保证精度的前提下增大步长，减少步数的同时减少累计误差。避免电机运行周期长带来的不利影响，增加系统的快速性，方法简单，易于实现。