步进电机升降速曲线控制方法

在一些控制简单或要求低成本的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。步进电机在这种应用场合下最大的优势是：可以开环方式控制而无需反馈就能对位置和速度进行控制。但也正是因为负载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。
失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。
为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如图1所示的升降速控制。

从图1可以看出，L2段为恒速运行，L1段为升频，L3段为降频，按照“失步”的定义，如果在L1及L3段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，经常会影响系统的正常工作，因此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的升降速控制。
以下按不同的控制单元，介绍几种常用的步进电机升降速控制方法。
1、运动控制卡作上位控制单元——以MPC01系列运动卡为例
MPC01系列运动控制卡可以作为PC机运动控制系统的核心控制单元。卡上的专用运动控制芯片可自动进行升降速计算。其运动控制函数库中也有专门进行梯形升降速运动参数设置的函数——set_profile(intch,doublels,doublehs,doubleaccel)。其参数定义如下：
ch:设定的轴号。
ls:设定低速（起始速度）的值。单位为pps（脉冲/秒）
hs:设定高速（恒速段）的值。单位为pps（脉冲/秒）
accel：设定加速度大小。单位为ppss（脉冲/秒/秒）
用户在调用运动指令函数时，只需指定总的脉冲数，运动控制卡上的专用运动控制芯片便按照set_profile函数设置的运动参数自动进行升降速计算，而不会占用PC机的CPU资源。
2、用具有运动控制功能的PLC做上位控制单元——以松下FP0系列PLC为例

松下FP0系列PLC具有专用的运动控制指令，其CPU单元可自动进行图1所示的升降速计算。和MPC01系列运动控制卡相似，用户只需设置梯形速度的初速度ls、恒速hs、加速时间t和所需发的脉冲数P。运行此程序段，当PLC检测到输入端X2的一个上跳变时，便自动执行如图1所示的升降速脉冲输出功能。
3、用单片机做上位控制单元
采用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。采用定时器中断方式控制电机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。
单片机在控制电机加减速的过程中，一般用离散方法逼近理想的升降速曲线。加减速的斜率在直线加速过程中，速度不是连续变化，而是按分档阶段变化，为与要求的升速斜率相逼近，必须确定每个台阶上的运行时间，见图3。时间Δt越小，升速越快，反之越慢。Δt的大小可由理论或实验确定，以升速最快而又不失步为原则。每个台阶的运行步数为为Ns=fsΔt=sΔN，反映了每个速度台阶运行步数与当前速度s之间的关系，程序执行过程中，每次速度升一档，都要计算这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查，当减至零时，该档速度运行完毕，升入又一档速度。

电机在升速过程中，对升速总步数进行递减操作，当减至零时升速过程结束，转入匀速运转过程。减速过程的规律与升速过程相同，只是按相反的顺序进行。在步进电机的启停过程中，根据控制系统的具体特点，采用上述三种升降速控制方式之一，都可以避免电机失步或过冲，达到比较精确的控制。