****力矩跟隨的混合式步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)
孫建輝(浙江工業(yè)大學(xué)杭州310014)
【摘 要】根據(jù)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性，推導(dǎo)出一種具有****力矩跟隨的快速加減速算法，同時(shí)給出其適于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的形式及相應(yīng)于算法的微機(jī)實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件技術(shù)，并利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和hdj003平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人的應(yīng)用，證明算法的正確性以及軟硬件設(shè)計(jì)的合理性。
l引 言
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其具有運(yùn)行頻率高、動(dòng)態(tài)力矩大、波動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪聲、低功耗、定位精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于諸如數(shù)控裝置、機(jī)械手、商業(yè)機(jī)器、自動(dòng)化儀器、印刷、服裝加工和包裝設(shè)備、軍事裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品和設(shè)備中，與永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有更良好的高頻運(yùn)行性能，其****運(yùn)行頻率高達(dá)50khz以上，轉(zhuǎn)速達(dá)6 000r／min，在實(shí)際應(yīng)用中，為了充分利用其優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能，首先必須解決的關(guān)鍵技術(shù)是要有合理的加減速過程，即所謂的升降頻控制，若加減速過程不合理，輕則出現(xiàn)丟步，且升降速時(shí)間延長(zhǎng)，重則輸出力矩達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且遠(yuǎn)達(dá)不到50khz的電機(jī)設(shè)計(jì)高頻性能。雖然有關(guān)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升降頻研究已有許多報(bào)道，但混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升降頻問題遠(yuǎn)未得到圓滿解決。由于在加速過程中，加速力矩是隨頻率增高而變小的，兩者呈嚴(yán)重非線性關(guān)系，且不可能得到解析函數(shù)表達(dá)式。再加上應(yīng)用中往往要充分發(fā)揮混合式步進(jìn)電機(jī)的高頻性能，實(shí)踐證明，直接應(yīng)用文獻(xiàn)2～7中的結(jié)果都不盡合理，例如三段曲線逼近法，在低頻，尤其在高頻段顯然不適合混合式步進(jìn)電機(jī)；由于高頻段力矩與頻率關(guān)系的嚴(yán)重非線性，用單一形式的升降頻曲線，也是不合理的，又由于步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式及負(fù)載形式等因素都會(huì)影響矩頻特性，因此，所謂起動(dòng)后****加速的統(tǒng)一優(yōu)化曲線方法，存在更嚴(yán)重的不足。由于混合式步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行的特點(diǎn)、不合理的加減速規(guī)律、復(fù)雜的算法以及低質(zhì)量的硬件設(shè)計(jì)，都不能達(dá)到高速運(yùn)行，并將導(dǎo)致升降速的失敗。本文根據(jù)混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、起動(dòng)及運(yùn)行矩頻特性，給出一種具有****力矩跟隨的混合式步進(jìn)電機(jī)加減速控制算法和軟件，并采用8086cpu和pal與82c54構(gòu)成的計(jì)數(shù)器及8259中斷控制器等組成高性能硬件線路，以實(shí)現(xiàn)混合式步進(jìn)電機(jī)的****力矩快速平穩(wěn)加減速和高頻運(yùn)行，并且具有相當(dāng)高的定位精度。
2基本算法
混合式步進(jìn)電機(jī)的典型運(yùn)行矩頻特性如圖1所示。圖1表明，在低頻段(一般2khz左右)，混合式電機(jī)有較高的輸出力矩，且矩頻特性較硬。當(dāng)頻率大于2khz后，輸出力矩隨頻率的增高快速下降。
當(dāng)頻率高達(dá)一定程度后，其對(duì)應(yīng)力矩的下降率則相對(duì)減小，實(shí)踐證明，在低頻段，混合式步進(jìn)電機(jī)直接起動(dòng)，仍能保證****輸出力矩。當(dāng)頻率增高時(shí)，為保證****力矩，必須滿足旋轉(zhuǎn)體的動(dòng)力學(xué)方程。
式中 tm——電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩****值
t1——總負(fù)載轉(zhuǎn)矩
j——電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
θ——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度若設(shè)步距角為ko，則
從而有
假設(shè)加速過程從運(yùn)行矩頻特性曲線上某點(diǎn)pi(fi,ti)經(jīng)微小移動(dòng)到達(dá)pi+1(fi+1，ti+1)，這里fi+1=fi+△fi，△fi,ti+1=ti+△ti,為得到從pi到pi+1的矩頻特性，可根據(jù)pi點(diǎn)所在圖1曲線上的具體位置，經(jīng)過一次曲線、二次曲線或高次曲線，甚至指數(shù)曲線的擬合得到具有相當(dāng)精度的近似曲線。為推導(dǎo)方便明了，文中僅給出采用一次曲線逼近的結(jié)果，更復(fù)雜情況可同理類推。
由假設(shè)曲線可得到pi與pi+1問的矩頻特性。
式中
若設(shè)β=-kfi+ti，則由式(3)和式(4)可知：
式(5)即為步進(jìn)電機(jī)保持****力矩跟隨必須滿足的加速度與頻率的關(guān)系，它與對(duì)應(yīng)加速時(shí)刻的力矩、頻率以及加速速率有關(guān)， |
