****力矩跟隨的混合式步進電機微機控制系統(tǒng)

    孫建輝(浙江工業(yè)大學杭州310014)

    【摘  要】根據(jù)混合式步進電動機的運行矩頻特性，推導出一種具有****力矩跟隨的快速加減速算法，同時給出其適于微機實現(xiàn)的形式及相應于算法的微機實現(xiàn)的硬件和軟件技術(shù)，并利用現(xiàn)場試驗和hdj003平面關(guān)節(jié)型裝配機器人的應用，證明算法的正確性以及軟硬件設計的合理性。

l引  言

    混合式步進電動機因其具有運行頻率高、動態(tài)力矩大、波動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪聲、低功耗、定位精度和分辨率高等優(yōu)點，已廣泛應用于諸如數(shù)控裝置、機械手、商業(yè)機器、自動化儀器、印刷、服裝加工和包裝設備、軍事裝備等機電一體化產(chǎn)品和設備中，與永磁式步進電動機相比，混合式步進電動機具有更良好的高頻運行性能，其****運行頻率高達50khz以上，轉(zhuǎn)速達6 000r／min，在實際應用中，為了充分利用其優(yōu)良動態(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，且升降速時間延長，重則輸出力矩達不到設計指標，并且遠達不到50khz的電機設計高頻性能。雖然有關(guān)永磁式步進電動機的升降頻研究已有許多報道，但混合式步進電動機的升降頻問題遠未得到圓滿解決。由于在加速過程中，加速力矩是隨頻率增高而變小的，兩者呈嚴重非線性關(guān)系，且不可能得到解析函數(shù)表達式。再加上應用中往往要充分發(fā)揮混合式步進電機的高頻性能，實踐證明，直接應用文獻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電機；由于高頻段力矩與頻率關(guān)系的嚴重非線性，用單一形式的升降頻曲線，也是不合理的，又由于步進電機的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式及負載形式等因素都會影響矩頻特性，因此，所謂起動后****加速的統(tǒng)一優(yōu)化曲線方法，存在更嚴重的不足。由于混合式步進電機高速運行的特點、不合理的加減速規(guī)律、復雜的算法以及低質(zhì)量的硬件設計，都不能達到高速運行，并將導致升降速的失敗。本文根據(jù)混合式步進電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、起動及運行矩頻特性，給出一種具有****力矩跟隨的混合式步進電機加減速控制算法和軟件，并采用8086cpu和pal與82c54構(gòu)成的計數(shù)器及8259中斷控制器等組成高性能硬件線路，以實現(xiàn)混合式步進電機的****力矩快速平穩(wěn)加減速和高頻運行，并且具有相當高的定位精度。

2基本算法

    混合式步進電機的典型運行矩頻特性如圖1所示。圖1表明，在低頻段(一般2khz左右)，混合式電機有較高的輸出力矩，且矩頻特性較硬。當頻率大于2khz后，輸出力矩隨頻率的增高快速下降。

    當頻率高達一定程度后，其對應力矩的下降率則相對減小，實踐證明，在低頻段，混合式步進電機直接起動，仍能保證****輸出力矩。當頻率增高時，為保證****力矩，必須滿足旋轉(zhuǎn)體的動力學方程。

式中  tm——電機輸出轉(zhuǎn)矩****值

      t1——總負載轉(zhuǎn)矩

j——電機轉(zhuǎn)子及負載的總轉(zhuǎn)動慣量

θ——電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度若設步距角為ko，則

從而有

    假設加速過程從運行矩頻特性曲線上某點pi(fi,ti)經(jīng)微小移動到達p_i+1(f_i+1，ti₊₁)，這里f_i+1=fi+△fi，△fi,t_i+1=ti+△ti,為得到從pi到pi+1的矩頻特性，可根據(jù)pi點所在圖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精度的近似曲線。為推導方便明了，文中僅給出采用一次曲線逼近的結(jié)果，更復雜情況可同理類推。

    由假設曲線可得到pi與p_i+1問的矩頻特性。

式中

若設β=-kfi+ti，則由式(3)和式(4)可知：

    式(5)即為步進電機保持****力矩跟隨必須滿足的加速度與頻率的關(guān)系，它與對應加速時刻的力矩、頻率以及加速速率有關(guān)，