基于可編程控制器的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)智能控制系統(tǒng)

李勇

摘 要：步進(jìn)電機(jī)控制器是集電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)一體的模塊化控制器，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備控制中，步進(jìn)電機(jī)控制器因?yàn)榫哂锌煽啃愿?、穩(wěn)定性好、模塊化組裝、維護(hù)方便優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中廣泛應(yīng)用于動(dòng)力執(zhí)行單元?？刂葡到y(tǒng)對(duì)于外部環(huán)境變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)是影響工業(yè)生產(chǎn)中的重要因素，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行處理與動(dòng)作。在這一背景下，步進(jìn)電機(jī)作為工業(yè)控制中的動(dòng)力輸出單元，需要滿足當(dāng)下復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)于負(fù)載變化實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求?；诖?，本篇文章對(duì)可編程控制器的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;步進(jìn)電機(jī);閉環(huán);智能控制系統(tǒng)

引言

步進(jìn)電機(jī)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有累計(jì)誤差、控制靈活、成本較低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的使用在自動(dòng)控制領(lǐng)域，比如打印機(jī)、機(jī)床、機(jī)器人等，但是步進(jìn)電機(jī)有著很明顯的缺點(diǎn)，低速運(yùn)動(dòng)由于步距角太大使電流不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，高速電機(jī)會(huì)產(chǎn)生失步的現(xiàn)象，所以很多高精度的場(chǎng)合并不適用步進(jìn)電機(jī)。因此為了適應(yīng)工業(yè)界的發(fā)展人們將永磁同步電機(jī)矢量控制方法的思想引入到了步進(jìn)電機(jī)中來(lái)，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，人們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的矢量控制在不同的方向上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用了恒流斬波的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)步距角的128細(xì)分，采用了將量化的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流制成了表格，存入軟件的數(shù)組中，使用時(shí)根據(jù)數(shù)組中的數(shù)據(jù)給定期望的電流，再通過(guò)采集相電流形成閉環(huán)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)256細(xì)分的驅(qū)動(dòng)控制。這些控制方式都是可以增加步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)和運(yùn)行的平穩(wěn)度，但是還是對(duì)矢量控制的過(guò)程做了一定程度的簡(jiǎn)化，不能實(shí)現(xiàn)任意細(xì)分。因此本文將從矢量控制根本性原理進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)任意細(xì)分和恒力矩的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

1步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)環(huán)精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而在大量中低端場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。

2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1）單片機(jī)模塊：在單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)中，需要按照需求選擇出最佳的單片機(jī)、外圍濾波、電源管理、晶振。以MSP430FG4618單片機(jī)為例，可以很好地滿足步進(jìn)電機(jī)的存儲(chǔ)要求，這主要是因?yàn)檫@一單片機(jī)內(nèi)配置了116kBFlash和8kBRAM。在晶振使用方面，主要可以選用32kHz晶振和8MHz晶振，均有著較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。為了便于快速且準(zhǔn)確改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)置P1和P2端口，以按鍵狀態(tài)判斷作為依據(jù)，通過(guò)跳入中斷服務(wù)程序來(lái)有效改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。2）鍵盤LED模塊：在當(dāng)前的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人機(jī)對(duì)話是必須實(shí)現(xiàn)的一大功能，可考慮在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)按鈕矩陣鍵盤和LED數(shù)碼管，并具備工作人員直接動(dòng)手操作這一系統(tǒng)的功能。待步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)通電后，鍵盤可以自主輸入相關(guān)的信息，比如步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向信息、啟停信息、轉(zhuǎn)速信息，而LED數(shù)碼管可以動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)有一點(diǎn)需要有所考慮，即要努力減輕單片機(jī)的工作壓力，鍵盤輸入與LED數(shù)碼管的輸出應(yīng)考慮實(shí)施集中性控制。若是有設(shè)計(jì)需求，則在鍵盤掃描輸入方式的設(shè)計(jì)上可以加入去抖動(dòng)功能，這樣可以有效避免誤觸發(fā)問(wèn)題。3）驅(qū)動(dòng)/放大模塊：驅(qū)動(dòng)/放大模塊的設(shè)計(jì)是一大難點(diǎn)，需要考慮多個(gè)方面的要素，所要實(shí)現(xiàn)的功能也較多，必須認(rèn)真開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。具體來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)要選擇合適的脈沖分配器，也稱之為邏輯轉(zhuǎn)換器，以脈沖分配器PMM8713為例，搭載著較強(qiáng)的集成電路，相輸出驅(qū)動(dòng)能力為20mA，可以滿足三相步進(jìn)電機(jī)和四相步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要求。在選定脈沖分配器后，要重點(diǎn)確定激勵(lì)方式，當(dāng)前所使用的激勵(lì)方式較多，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合性的考慮。在三相與四相步進(jìn)電機(jī)的激勵(lì)方式中，均可以選擇1相、2相、1～2相的激勵(lì)方式，輸入方式可以選單時(shí)鐘和雙時(shí)鐘。在長(zhǎng)期的研究與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是單時(shí)鐘還是雙時(shí)鐘，均具有多項(xiàng)顯著功能，包括正反轉(zhuǎn)控制、激勵(lì)方式監(jiān)視、原點(diǎn)監(jiān)視、輸入脈沖監(jiān)視。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由電壓方程h和轉(zhuǎn)矩方程c，得到可編程控制器算法的輸入量，對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)進(jìn)行閉環(huán)控制。電機(jī)速度環(huán)和電流環(huán)采用積分離的PI調(diào)節(jié)，計(jì)算t時(shí)刻電機(jī)繞組的電壓偏差J（t）公式為J（t）=h1（t）-h2（t）（1）式中：h1（t），h2（t）分別為繞組電壓的參考值和實(shí)際值。對(duì)電壓偏差J（t）進(jìn)行限幅處理，預(yù)設(shè)電壓偏差范圍i，當(dāng)電壓偏差在范圍i之內(nèi)，對(duì)J（t）進(jìn)行比例放大和積分，當(dāng)偏差在范圍i之外，僅對(duì)J（t）進(jìn)行比例放大。計(jì)算積分項(xiàng)開(kāi)關(guān)系數(shù)j，公式為 （2）

電機(jī)速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)量K（t）表達(dá)式為 （3）

式中：k為比例系數(shù);L為時(shí)間積分常數(shù)。通過(guò)比例放大，對(duì)電壓偏差J（t）作出快速反應(yīng)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速率，加快速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)，通過(guò)積分，在定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，消除電壓偏差J（t）?？删幊炭刂破鞯谋壤禂?shù)k為式中：l，m分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋參數(shù);M為磁通;N為總電阻;O為電動(dòng)勢(shì)參數(shù);p為磁極對(duì)數(shù)。位置環(huán)采用比例調(diào)節(jié)，計(jì)算t時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)矩偏差P（t），式為P（t）=c1（t）-c2（t）（11）式中：c1（t），c2（t）分別為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的參考值和實(shí)際值。位置環(huán)調(diào)節(jié)量n（t）表達(dá)式為n（t）=kP（t）（4）通過(guò)調(diào)節(jié)量K（t）和n（t），對(duì)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，構(gòu)成三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。至此完成可編程控制器閉環(huán)控制算法的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成基于可編程控制器的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，此次研究將可編程控制器作為中央主控單元，設(shè)計(jì)了一種步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)能夠快速跟蹤指令信號(hào)，且電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。但此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)同時(shí)加入位置環(huán)和速度環(huán)進(jìn)行調(diào)試，在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中加入光電編碼器，獲取轉(zhuǎn)子速度和位置，結(jié)合參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)算法，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行無(wú)位置控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制性能。

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