基于脈沖均衡輸出的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)控制

於立峰，胡凱波，顧范華，夏志凌

(1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，金華 321100； 2.浙江浙能電力股份有限公司，杭州 311200)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電一體化的執(zhí)行元件，具有轉(zhuǎn)子慣量低、精準(zhǔn)度高、控制操作簡(jiǎn)便以及誤差小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的定位與定速[1]。近年來，計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展以及各種機(jī)器人的研發(fā)，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位精度以及響應(yīng)速度的要求有所提升，單軸向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)無法滿足各種高精度的要求。多軸向集中控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。但是，多軸向集中控制方法中最大的弊端是無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，這主要是因?yàn)槊}沖不均勻而導(dǎo)致的誤差較大。文獻(xiàn)[2]提出基于模型變換的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方法，雖然提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度，但是受外界干擾影響較大，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖存在較大波動(dòng)，控制誤差較高；文獻(xiàn)[3]提出基于外差激光干涉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方法，采用外差激光干涉步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖信號(hào)，雖然具備一定的脈沖控制性能，但是多軸聯(lián)動(dòng)控制效果差，無法實(shí)現(xiàn)理想的控制效果；文獻(xiàn)[4]分析的磁通反作用電機(jī)控制方法可降低步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的能耗，具有節(jié)能環(huán)保的效果，但是靈敏性較差，控制時(shí)間較長(zhǎng)。

基于以上缺陷，本文研究了一種智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向集中控制方法，集中控制多軸向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使其可達(dá)到加減速、細(xì)分以及電流負(fù)反饋的功能，精準(zhǔn)度更高，更適應(yīng)于各種高要求的機(jī)電一體化設(shè)備中。

1 控制方法的設(shè)計(jì)

1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向集中控制過程分析

圖1為智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向集中控制總體結(jié)構(gòu)圖。該控制結(jié)構(gòu)包括8254定時(shí)計(jì)數(shù)芯片、DSP控制系統(tǒng)、邏輯綜合電路、DA轉(zhuǎn)換、功率驅(qū)動(dòng)電路與過流檢測(cè)6個(gè)部分。該結(jié)構(gòu)選取TI公司的TMS32LF2812芯片作為DSP控制系統(tǒng)的核心，多軸向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相序信號(hào)、PWM脈沖、細(xì)分值數(shù)字信息、DA轉(zhuǎn)換的片選信號(hào)均由DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送，DSP控制系統(tǒng)還負(fù)責(zé)與外部進(jìn)行通信與信號(hào)的細(xì)分，并通過外界的通信指示發(fā)送控制信號(hào)至多個(gè)軸向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

圖1 智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向集中控制流程圖

邏輯綜合電路利用可編程邏輯器件通過合成相序信號(hào)與PWM波信號(hào)獲取新具有斬波的相序信號(hào)。DA轉(zhuǎn)換部分利用雙通道的8位DA芯片將DSP發(fā)送的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相細(xì)分值數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成細(xì)分功能所需的細(xì)分值模擬量，利用DSP發(fā)送的片選信號(hào)與寫信號(hào)選擇轉(zhuǎn)換成幾相細(xì)分值[5]。過流檢測(cè)部分的主要功能為電流保護(hù)，將獲取的采樣電阻中電壓值與基準(zhǔn)電壓相比，采樣電阻中電壓值高于基準(zhǔn)電壓時(shí)則系統(tǒng)自動(dòng)停止工作，保證相電流不超過基準(zhǔn)電壓，保護(hù)電機(jī)與控制系統(tǒng)[6]。選取兩個(gè)H橋的高集成度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制專用驅(qū)動(dòng)芯片作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)部分主要組成，并在功率驅(qū)動(dòng)部分合成DA轉(zhuǎn)換部分所發(fā)送的細(xì)分值模擬量，獲取脈沖[7]。但是由于脈沖無法均衡輸出，故無法實(shí)現(xiàn)多軸向聯(lián)動(dòng)控制。

1.2 脈沖均衡設(shè)計(jì)

通常情況下智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高起動(dòng)速度低于最高運(yùn)行速度，因此無法按照最高運(yùn)行速度起動(dòng)電機(jī)。異步電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性，因此無法在快速運(yùn)行至接近終點(diǎn)時(shí)立即停止與鎖定[8]。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制過程中，需要按照加速—高恒速—減速—停止的過程進(jìn)行控制。

可用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制形式通常有指數(shù)曲線加減速直線規(guī)律與勻加減速直線規(guī)律兩種。指數(shù)曲線作為最理想的加速曲線，雖然可以實(shí)現(xiàn)最精準(zhǔn)的加速控制，但其實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，應(yīng)用較少；而直線加減速曲線具有加速控制較為穩(wěn)定，編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于速度變化較大的快速定位中，因此選取勻加減速直線規(guī)律進(jìn)行智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向的集中控制[9]。

通過對(duì)DSP控制系統(tǒng)的軟件編程計(jì)算，改變脈沖進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制，利用8254定時(shí)計(jì)數(shù)芯片設(shè)定時(shí)間基準(zhǔn)，用f表示DSP的時(shí)鐘頻率，依據(jù)連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式獲取脈沖占空比為50%的PWM脈沖，表示為T1CMPR=T2PR/2。設(shè)n為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的速度，N為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的總步數(shù)，設(shè)置加速步數(shù)初始化a=0。速度控制具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

“起動(dòng)”：設(shè)置n=n低，寄存器周期T=f/2×n，賦值比較寄存器T1CMPR=T2PR/2，智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)一次時(shí)，N--，a++。

“加速”：將剩余步數(shù)進(jìn)行比較[10]，可能會(huì)存在兩種情況：

(1)N

(2)N>a，發(fā)生此種情況時(shí)，需要繼續(xù)進(jìn)行比較n是否大于n高，若n>n高，表明該軸已完成加速運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行至“高速”步驟；若n

“高速”：設(shè)置n=n高，將剩余步數(shù)進(jìn)行比較，若N=a，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即將減速，進(jìn)行至“減速”步驟；否則說明PWM載波頻率未有任何變化，則T=f/2×n，比較寄存器T1CMPR=T2PR/2，N--。設(shè)置完成后，進(jìn)行“高速”步驟[11]。

“減速”：當(dāng)N=0時(shí)，說明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸已經(jīng)完成運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)設(shè)置停止運(yùn)動(dòng)命令。否則設(shè)置下一個(gè)脈沖n=n-a/n，設(shè)置周期寄存器T=f/2×n，比較寄存器T1CMPR=T2PR/2，N--，執(zhí)行完成后，繼續(xù)進(jìn)行至“減速”步驟[12]。

以上過程中，加速段前后脈沖速度變化Δv如下：

Δv=n后-n前

(1)

式中:n前表示加速段前的脈沖速度;n后表示加速段后的脈沖速度。

加速段前后脈沖時(shí)間間隔Δt公式如下：

(2)

式中:T前表示加速段前的寄存器周期;T后表示加速段后的寄存器周期;f表示標(biāo)準(zhǔn)式中頻率;n表示當(dāng)前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度;a表示初始步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度。

1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)控制

1.3.1 控制方案設(shè)計(jì)

主要控制功能模塊為 FPGA，模塊主要包括時(shí)鐘分頻、速度精致和方向控制，這3個(gè)部分功能主要是對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制;利用鎖相環(huán) PLL 宏模塊，產(chǎn)生 PWM 信號(hào)完成速度控制;采用脈沖分配器分成不同步進(jìn)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)換相控制。具體步驟如圖 2 所示。

圖2 方案示意圖

將兩相混合式電機(jī)作為研究對(duì)象，利用恒流斬波驅(qū)動(dòng)，選用型號(hào)42BYG250的電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。該電機(jī)具體參數(shù)如下:額定電流為0．67 A，額定電壓為12 V，步距角1．8°，定位轉(zhuǎn)矩11．8 mN·m，最大空載起動(dòng)頻率在1 000 Hz以上，其運(yùn)行頻率在3 000 Hz以上。

圖3 方案硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 基于均衡脈沖的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)控制模型

多軸向聯(lián)動(dòng)的控制接口圖如圖4所示。通信號(hào)(ENABLE)與方向信號(hào)(DIR)利用I/O接口IOPBx發(fā)送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，X軸、Y軸的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過GP1的PWM脈沖和GP2的PWM脈沖進(jìn)行控制。并將DSP與8254定時(shí)計(jì)數(shù)芯片相結(jié)合，設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于均衡脈沖的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)控制模型，從而實(shí)現(xiàn)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的多軸向聯(lián)動(dòng)控制。

圖4 多軸聯(lián)動(dòng)的DSP與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制接口框圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向控制系統(tǒng)中的DSP需要控制電機(jī)，同時(shí)要響應(yīng)外部中斷進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)以及控制串口發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)至人機(jī)交互界面，若選取實(shí)時(shí)計(jì)算控制方法，會(huì)影響聯(lián)動(dòng)控制速度，系統(tǒng)中CPU資源的減少也會(huì)影響其他功能的正常運(yùn)行，因此選取離線計(jì)算數(shù)據(jù)表實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制方法進(jìn)行多軸向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)。該方法需要設(shè)定其中1個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中的軸作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)軸，其表達(dá)式為：

(3)

式中:θ1為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角；d為運(yùn)動(dòng)軌跡方程。按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，將運(yùn)動(dòng)軌跡以時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)軸的運(yùn)動(dòng)速度為基準(zhǔn)分為若干份時(shí)間相同的運(yùn)動(dòng)軌跡，將獲取的小份運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置為與運(yùn)動(dòng)軸相對(duì)應(yīng)的勻速直線運(yùn)動(dòng)[13]，利用各項(xiàng)直線運(yùn)動(dòng)的調(diào)整擬合標(biāo)準(zhǔn)的空間曲線運(yùn)動(dòng)，其表達(dá)式：

(4)

式中:E為運(yùn)動(dòng)軌跡的總耗能；I表示聯(lián)動(dòng)效果；U表示小份運(yùn)動(dòng)軌跡份數(shù)。以上過程中，時(shí)間相同的小份運(yùn)動(dòng)軌跡份數(shù)越多，聯(lián)動(dòng)效果越好[14]。

在實(shí)際聯(lián)動(dòng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由此對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)連通性好、耗能低等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的全部節(jié)點(diǎn)消耗功率之和最低，如果任意節(jié)點(diǎn)的半徑超過某一閾值，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)能量將會(huì)很快消耗，所以超過閾值的半徑節(jié)點(diǎn)越少越有效。

超過閾值半徑Rv的節(jié)點(diǎn)數(shù)q表達(dá)式：

CT掃描需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這個(gè)過程中，掃描對(duì)象如果發(fā)生形狀、位置的變化，會(huì)降低CT成像質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)偽影主要分為剛體運(yùn)動(dòng)偽影和非剛體運(yùn)動(dòng)偽影。

(5)

式中:m為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)量;i為m個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意節(jié)點(diǎn)，1≤i≤m;Rmax表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大半徑;E為總耗能。

在相同時(shí)間內(nèi)所有軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)射的脈沖數(shù)δ與電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過軸間的幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系獲取，并發(fā)送至數(shù)據(jù)表內(nèi)，將所有時(shí)間的數(shù)據(jù)累積即可獲取所需的數(shù)據(jù)表[15]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸運(yùn)動(dòng)過程中，利用數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，根據(jù)均衡脈沖Δδ即可構(gòu)建相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的多軸向聯(lián)動(dòng)控制模型，其表達(dá)式：

minλ=

(6)

全部步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在同一時(shí)刻起動(dòng)運(yùn)動(dòng)即實(shí)現(xiàn)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確多軸向聯(lián)動(dòng)。為保證集中控制的準(zhǔn)確性，在軸運(yùn)動(dòng)過程中可利用DSP實(shí)時(shí)對(duì)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行微調(diào)，確保各軸向的運(yùn)動(dòng)軌跡符合運(yùn)動(dòng)要求。

1.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)流程設(shè)計(jì)

實(shí)施步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的多軸向聯(lián)動(dòng)時(shí)，依據(jù)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算數(shù)據(jù)表并發(fā)送至數(shù)據(jù)RAM內(nèi)，在定時(shí)計(jì)數(shù)芯片8254中設(shè)定每個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸的工作方式。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將每個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至該軸的計(jì)數(shù)芯片8254中，發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)啟動(dòng)門控信號(hào)，電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行。時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)軸發(fā)送第一個(gè)脈沖數(shù)完成時(shí)，同步發(fā)送高電平信號(hào)至DSP的通用IO口，DSP接收信號(hào)后發(fā)送全部軸運(yùn)動(dòng)的第二份數(shù)據(jù)至相應(yīng)定時(shí)計(jì)數(shù)芯片8254開門控信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中各軸接收到信號(hào)后發(fā)送第二份脈沖數(shù)至相應(yīng)的計(jì)數(shù)芯片8524中，直至所有運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，運(yùn)動(dòng)過程結(jié)束。

智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)程序流程圖如圖5所示。DSP在每次完成脈沖發(fā)送的同時(shí)，需要領(lǐng)取與各軸相對(duì)應(yīng)的8254計(jì)數(shù)寄存器中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)領(lǐng)取不夠完全，剩余數(shù)據(jù)則加入下一份數(shù)據(jù)中以保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各軸準(zhǔn)確完成運(yùn)動(dòng)軌跡。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖發(fā)送速度等于電機(jī)軸應(yīng)發(fā)送的脈沖數(shù)量與數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間之比，因此若數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，脈沖應(yīng)基本發(fā)送完全，誤差較小。在實(shí)際電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，若出現(xiàn)各軸脈沖發(fā)送差別過大的情況，可通過人為中斷程序，對(duì)軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，保證電機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)置要求。利用程序中斷調(diào)整軸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)間越短越好，長(zhǎng)時(shí)間的程序中斷會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的誤差。

圖5 聯(lián)動(dòng)程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某電網(wǎng)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為57BYG250A，當(dāng)母線電壓是240 V時(shí)，智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速可高達(dá)6 000 r/min，設(shè)置實(shí)驗(yàn)開關(guān)頻率為5 kHz，給定多軸向電流指令為10 A，步距角為1.8°，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒加速運(yùn)行。圖6為智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)。

圖6 智能步進(jìn)電動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)

根據(jù)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)和測(cè)試參數(shù)，通過計(jì)算得到每個(gè)脈沖所轉(zhuǎn)過的角度，對(duì)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。表1為1.8°步距角細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)值和誤差表。

表1 1.8°步距角細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)值和誤差表

由表1可知，在1～128細(xì)分的各檔位中，每個(gè)脈沖所轉(zhuǎn)過角度的絕對(duì)誤差在5%以內(nèi)，智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度較高。通過MATLAB軟件仿照實(shí)驗(yàn)?zāi)K搭建一個(gè)仿真平臺(tái)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的性能，將本文方法與激光干涉方法和模型變換方法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)測(cè)試3種方法進(jìn)行多軸向集中控制下的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行結(jié)果，如圖7～圖9所示。

圖7 運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速情況對(duì)比

圖8 運(yùn)行電機(jī)電流情況對(duì)比

圖9 運(yùn)行電機(jī)電壓情況對(duì)比

從圖7可以看出，采用本文方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，在運(yùn)行9 s時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行；而采用激光干涉方法和模型變換方法的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在8 s左右產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)偏移，轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行異常。由此說明，本文方法可準(zhǔn)確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

從圖8可以看出，本文方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流運(yùn)行過程中維持穩(wěn)定，并且電流值穩(wěn)定在給定電流10 A，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流誤差較??；而激光干涉方法和模型變換方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在8 s時(shí)電流出現(xiàn)振蕩，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過流保護(hù)，停止運(yùn)行。由此說明，本文方法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流效果較好，再次驗(yàn)證了本文方法的控制性能。

從圖9可以看出，本文方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電壓隨著轉(zhuǎn)速的升高而有所提升，這與實(shí)際情況相符；而激光干涉方法和模型變換方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電壓隨著過流保護(hù)的停止而返回零值。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了本文方法具有較好的控制性能。

智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有矩頻特性，最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率成反比，為保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的出功能力，設(shè)置實(shí)驗(yàn)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍為20 Hz～2 000 Hz。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加清晰準(zhǔn)確，將實(shí)驗(yàn)工作頻率范圍分成20 Hz～200 Hz、200 Hz～2 000 Hz 2個(gè)頻率段，利用C++語言編程測(cè)量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率精度，并將本文方法與激光干涉方法和模型變換方法進(jìn)行比較，以給定頻率為橫坐標(biāo)，頻率誤差為縱坐標(biāo)，頻率誤差為實(shí)際頻率與理論頻率之差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 20 Hz～200 Hz頻率段電機(jī)頻率誤差

圖11 200 Hz～2 000 Hz頻率段電機(jī)頻率誤差

從圖10和圖11可以看出，兩種方法的頻率誤差隨著給定頻率的增加而增加，本文方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)誤差較小，在給定頻率為20～2 000 Hz之間，最大誤差均未超過2 Hz，并且輸出頻率較為穩(wěn)定，基本無波動(dòng)。而激光干涉方法和模型變換方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)誤差較大，波動(dòng)范圍大，輸出頻率不穩(wěn)定。

為進(jìn)一步分析兩種方法對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制穩(wěn)定性，在3個(gè)頻率段內(nèi)分別選取100 Hz、500 Hz和1 000 Hz 3個(gè)頻率值進(jìn)行10次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2輸出頻率結(jié)果對(duì)比可以看出，本文方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在給定100 Hz、500 Hz和1 000 Hz 3個(gè)頻率值時(shí)的輸出頻率誤差均不超過2 Hz,明顯低于激光干涉方法和模型變化方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出頻率誤差，說明了本文方法控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有較高的精準(zhǔn)性。

統(tǒng)計(jì)上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)過程中，兩種方法的控制性能，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示。

圖12 3種方法控制性能對(duì)比

從圖12可以看出，本文方法的控制精度、控制效率、魯棒性以及靈敏性均高于95%，耗能性數(shù)值低于5%，各項(xiàng)性能均優(yōu)于激光干涉方法和模型變換方法。對(duì)比結(jié)果說明本文方法對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有較高的控制性能，應(yīng)用價(jià)值高。

對(duì)兩種傳統(tǒng)方法和本文方法的應(yīng)用過程同時(shí)施加相同的外界干擾，對(duì)比統(tǒng)計(jì)不同方法的電壓波動(dòng)值，比較結(jié)果如圖13所示。從圖13可知，傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向聯(lián)動(dòng)控制方法的電壓波動(dòng)較大，大概分布在-40～40 V之間。本文方法的電壓波動(dòng)值穩(wěn)定在-10～10 V之間?？梢钥闯觯疚姆椒ㄊ艿酵饨绺蓴_時(shí)電壓波動(dòng)值明顯低于傳統(tǒng)模型，表明本文模型的抗干擾能力明顯較強(qiáng)。

圖13 模型抗干擾能力測(cè)試比較結(jié)果

3 結(jié) 語

隨著工業(yè)生產(chǎn)步入智能化，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度要求越來越高，本文研究了智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的多軸向控制方法，通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能化步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高效控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法進(jìn)行多軸向集中控制下的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制精度高，運(yùn)行過程穩(wěn)定，并且多軸向集中控制精度、控制效率、魯棒性以及靈敏性均高于95%，耗能性數(shù)值低于5%，具有理想的抗干擾性能，是一種高效環(huán)保的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多軸向集中控制方法，可應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中。