步进电机的速度调节方法

2020-11-27孙家全

商品与质量 2020年42期

孙家全

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对于步进电机主要可使用直线调速、指数调速、S型调速等曲线法，对电机的速度加以日调节，实现各种场合的应用。综合对比，S型曲线法在步进电机的加速、减速控制等方面较为连续，能够保证电机的平稳运行。可按照步进电机芯片型号差异，使用S曲线的加速和减速算法，对于步进电机实施动态化调速，提高其运行可靠性。

1 步进电机调速的必要性及注意事项

1.1 步进电机调速必要性

步进电机作为一种控制元件，使用过程，能够转化脉冲信号，将其变为角位移、线位移等，只需要输入脉冲，此时，电机的转轴即可转动相应步进角。不但运行精度高，而且没有累计误差，运行的可靠性较高，在数控系统当中应用广泛。由于步进电机在工作时，工况稳定性和脉冲频率、数量等相关，因此，当脉冲的频率升高时，电机的转矩就会随之降低。若频率到达一定程度，电机在特定脉冲周期内不能转过步进角，就会导致“电机失步”或者“电机堵转”等问题发生。因此，需要采取有效的措施，对于步进电机的速度进行调节，确保其变速过程的稳定性[1]。

1.2 步进电机调速注意事项

步进电机属于执行元件的一种，在计算机技术发展过程，步进电机使用数量不断增加。在调速期间，需要注意如下几点内容：

第一，通过数字信号，能够对其实施开环控制，并且系统造价低，能够保持输入脉冲、位移之间的对应性，且步距不会产生误差积累，开环系统相对简单，精度一定，因此，控制过程也可利用闭环系统完成。

第二，因为步进电机无刷，故此，电机的本体部件相对较少，运行过程高度可靠，启动和停止较为顺利，能够及时响应，具备自锁能力。

第三，步距角能够在较大的范围之内选择，当步距较小的情况之下，也可保持低速、高转矩的状态下稳定运行，能够不通过减速器，直接将负载驱动。并且电机的速度能够在宽泛环境之下进行平滑调节，可使用1台控制器，控制多台电机运行。

第四，步进电机拥有的惯性负载相对较弱，由于工作过程，可能产生共振、失步等问题，因此，电机加速、减速等状态复杂。

2 步进电机的速度调节方法介绍

下文以STM32F103ZET6芯片为例，介绍了S曲线调速法，利用七段加减速方法，对于S曲线加以改进，进而对步进电机的速度进行调整，实现了电机的安全、可靠运行。

2.1 S曲线介绍

常用的S曲线主要是S算法。Sigmiod函数就是其中之一，表达式为：对该函数进行求导，可获得电机的曲线图，明确电机处于加速阶段时，无加速度突变及拐点，曲线呈光滑状态。由此可知，Sigmiod函数当中加速曲线能够使电机运行时不受刚性、柔性等冲击，保证其加速环节平稳工作。由于该函数当中含有ex项，因此在函数处理阶段运算时间较长。若处理时间大于变频时间，就会导致曲线产生难以预测变化，步进电机难以平稳运行。

加速度的S曲线，包括5段的加速控制阶段，分别为加速、减加速、匀加速、加减速、减速等曲线，还包括7段减速曲线。其中加速曲线当中，加速和减速等过程，存在拐点，因此，运动过程可能产生柔性冲击，而7段曲线主要是在5段曲线的基础上改进而来，能够保证曲线稳定性，然而曲线之上还存在诸多拐点，使得分段的区间增加，算法复杂，对于系统实际运算效率产生影响。

2.2 曲线优化

对于S曲线加速分段的区间较多，并且存在拐点问题，可通过拟合曲线法将无线进行优化，成为单一的函数曲线，并找出拟合线性模型，使函数的损失值降到最低，可借助梯度下降原理以及正规方程等对回归模型进行化简，最终得到方程表达式。

2.3 算法实现

在步进电机加速和减速等过程，主要是由初始频率、变换频率等组成，而S曲线则属于频率变化部分，对于STM32和DM542A型号步进电机驱动器展开控制，可实现对电机的动态化调速。将步进电机的进角设定1.8°，并且使其处于小于1000r/min的速度下进行旋转，使电机的转矩性能良好。同时，对于STM32的72MHz主时钟频率展开4次分频，当作定时器时钟频率，可实现对于DM542A电机驱动器实施32细分，保证每个脉冲的位移角0.05625°，可保持90000Hz频率之内动态化调速，转速变化范围在0～844r/min之间。在频率0～90000Hz之内建立曲线模型，获得最高加速度变频量5000Hz/s，加速频率变化为1000Hz/s2。之后对S曲线展开多次拟合，保留曲线在加速段的优良特性，并将加速曲线拐点消除[2]。

2.4 动态调速

步进电机运行期间，频率变化处于离散状态，因此，可使用等时长方案以及等脉冲数方案进行调节。调速期间，可在脉冲频率不断增加的过程，选取任意值，介于0～90000Hz之间，并建立S曲线，对调速范围加以调整，对曲线模型展开压缩和拉伸等调速，使其保持原有特征。之后，给定S曲线函数特定系数，使其增速，对于增速阶段，可选择等时间隔以及同频脉冲的次数，确保动态调速稳定性和调速效率。在反复试验之后，显示动态调速的性能良好，同时，还可获得相同脉冲之下，步进电机无堵转时初速度、增加速度、时间间隔等临界关系表，进而获得三者之间稳定关系表。按照稳定关系，选择间隔数值，作为动态化依据，并将优化之后曲线向S曲线的算法当中写入，当作动态调速核心，对步进电机的速度实现动态化调整[3]。