CN101944873A

CN101944873A - 一种步进电机加减速的控制方法

Info

Publication number: CN101944873A
Application number: CN 201010284512
Authority: CN
Inventors: 袁毅; 孙胜利; 金钢; 肖金才; 王成良; 韩昌佩; 郭晓凌; 盛敏健
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-01-12

Abstract

本发明公开一种步进电机加减速的控制方法，包括：(1)用于控制步进电机加减速的指数函数的建立(2)基于51汇编语言的编程参量的计算(3)控制程序的设计。该控制方法的函数形式简单，通用性强，且编程参量计算方便。

Description

一种步进电机加减速的控制方法

技术领域

本发明涉及一种步进电机加减速的控制方法，具体是指一个根据步进电机运行参数生成指数型加减速曲线，并用51单片机汇编语言实现的控制方法。

背景技术

步进电机的启动和停止通常都需要一个加减速过程，并使用单片机控制。该过程如用曲线表示，可分为匀加速度过程和指数变化加速度过程两类。其中指数变化加速度过程和步进电机的矩频特性较为匹配，因而和匀加速度过程相比更适合步进电机的加减速控制。

对于指数变化的加减速过程来说，其关键在于找到一个适合于控制步进电机加减速过程的指数函数，将其用一系列不同的速度阶梯去拟合，并给出相应的单片机控制算法。目前的步进电机指数型加减速控制方法往往只是针对某一型号的单片机，通用性不够强；或是函数形式较为复杂，编程参量计算繁琐，不利于单片机编程控制，应用受到了一定的局限。

发明内容

本发明的目的是给出一个简洁并且通用性较强的步进电机加减速控制的指数函数，以阶梯状分段拟合的方式来实现指数型加减速的过程，并提供基于51单片机汇编语言的编程参量的计算方式。该方法的函数形式简单，通用性强，且编程参量计算方便。

本发明的方案如下：

1、针对步进电机运行特点而提出的指数型加减速函数，其函数值为步进电机当前的运行频率(Hz)：

f (t) = a + k \frac{1 - e^{- \frac{nt}{m - 1}}}{1 - e^{- n}}

其中

m——分段拟合的速度台阶数。m越大拟合越精确。一般地，m可取8至16之间的数。

t——取值范围为0至m-1之间的整数，对应m个不同的速度台阶(即分段加速过程)，用以拟合指数变化的加速过程。

a——步进电机的实际启动频率(Hz)，由步进电机最高启动频率f_s和细分数DIVD决定。a＝f_s×DIVD

k——比例系数，使得t取值最大时，函数值f(t)达到步进电机平稳运转时的频率f。设步进电机步距角为θ°，稳定运行时电机的转速为r(单位：转/分钟)，则a+k＝(r/60)×(360/θ)×DIVD，因此k＝(6r×DIVD/θ)-a。

n——曲线形状调整参数，一般地，n取值范围为1至3之间，n越大曲线越陡，加速过程越快，但对负载的驱动力也会随之减小。初始值一般可以取n＝1.5。

2、计算编程参量

a)延时参量DJNZ指令调用次数DJNZ(t)的计算

为了模拟指数型的加减速过程，需要用一系列不同的速度台阶去拟合。对于每个速度台阶t，都对应一个单片机I/O高低电平的延时量。在本发明方法中，以循环调用51汇编指令DJNZ的方式来实现高低电平的延时，占空比取50％(即高低电平延时量相等)。在标准51单片机机器周期等于晶体振荡周期f_osc在12分频的情况下，对于步进电机的每个运行频率f(t)，高电平或低电平所调用的DJNZ次数DJNZ(t)＝f_osc/[48f(t)]，因t的取值为0至m-1的整数，因此DJNZ(t)也相应的有m个值。

b)DJNZ(t)两层循环参量INNER(t)和OUTER(t)的计算

对于每个DJNZ(t)，当其值大于255时，需要将其分解为两层循环来调用，两层循环的乘积即总调用次数DJNZ(t)。设外层循环次数为OUTER(t)，内层循环次数为INNER(t)，两者分别都有m个值，与m个DJNZ(t)的值相对应。每个OUTER(t)先从1开始取值，再求INNER(t)。若两层循环乘积仍小于所需调用的DJNZ的次数，则OUTER(t)加1后继续求INNER(t)。最后写成延时子程序，供控制程序调用。

c)每个速度台阶包含的脉冲数P(t)的计算

在确定了INNER(t)和OUTER(t)后，还需确定的是每级速度台阶高低电平变化的循环次数。在步进电机驱动器细分全关的情况下，启动频率对应的第一级速度台阶至少要有两次高低电平的循环(即两个脉冲)，因此每级速度台阶的宽度为2/(a/DIVD)＝2DIVD/a，每个速度台阶包含的脉冲数P(t)＝2DIVD×f(t)/a。

3、控制程序

控制程序可分为三部份：

a)加速过程

将I/O口置高低电平，两个状态间调用延时子程序，并计数每个速度台阶的高低电平变化次数(即脉冲数)。当该速度台阶的脉冲数等于其预设值P(t)时，工作寄存器调用下一个速度台阶的各参数，并重复上述过程。

b)匀速过程

当m个t值对应的参数均调用完毕后，程序锁定在第m个t所对应的各参数，此时步进电机进入稳定运转状态。

c)减速过程

减速过程为加速过程的逆过程，只需逆向读取加速参数即可，这里不再详述。

本发明的优点是：

1、指数型加减速函数的曲线形状能根据步进电机运行参数作出相应的调整，通用性较强。

2、函数形式简洁，编程参量计算方便。

附图说明

图1为用51单片机控制步进电机的硬件框图。

图2为以阶梯方式拟合指数函数加减速曲线的示意图。

图3为本发明方法的操作步骤框图。

图4为整个控制程序流程图。

具体实施方式

工程实例：某三相混合式步进电机，使用该方式进行加速控制。

1、电机各运行参数如下：

步距角θ：1.8°

细分数DIVD：8细分

启动频率f_s：64Hz(不含细分)

稳定转速：240r/min

晶振频率f_osc：11.0592MHz

2、f(t)的各参数计算

m取16，即用16段速度阶梯来拟合指数型加减速过程。

a＝f_s×DIVD＝64×8＝512

k＝(6r×DIVD/θ)-a＝(6×8/1.8)-512＝5888

n＝1.5(取默认值)

t＝0、1、2...15

DJNZ(t)＝f_osc/[48f(t)]＝2.304×10⁵/f(t)

3、用Excel电子表格可很方便地计算出编程所需的各参量：

t	f(t)	TIME	DJNZ(t)	OUTER(t)	INNER(t)
						0	512	16	450	2	225
1	1233	38	186	1	186
						2	1885	58	122	1	122
3	2476	77	93	1	93
						4	3010	94	76	1	76
5	3494	109	65	1	65
						6	3931	122	58	1	58
7	4327	135	53	1	53
						8	4685	146	49	1	49

9	5009	156	45	1	45
						10	5302	165	43	1	43
11	5568	174	41	1	41
						12	5808	181	39	1	39
13	6025	188	38	1	38
						14	6222	194	37	1	37
15	6400	200	36	1	36

图5为用Excel绘制的该工程实例的指数型分段加速曲线。

Claims

1.一种步进电机加减速的控制方法，包括步骤：(1)建立一个能根据步进电机启动频率和稳定运转频率来调整函数曲线形状的指数型加减速函数f(t)，其横轴t代表分段加减速过程的速度台阶序号，其纵轴f(t)表示单片机向步进电机驱动器输出的脉冲频率(2)根据f(t)的值确定编程所需要的参量(3)汇编程序的设计，其特征在于：所述的指数型加减速函数f(t)按下式确定：

f (t) = a + k \frac{1 - e^{- \frac{nt}{m - 1}}}{1 - e^{- n}}

其中

m——分段拟合的速度台阶数，m取8至16之间的数；

t——取值范围为0至m-1之间的整数；

a——步进电机的实际启动频率Hz，由步进电机最高启动频率f_s和细分数DIVD决定，

a＝f_s×DIVD；

k——比例系数，使得t取值最大时，函数值f(t)达到步进电机平稳运转时的频率f，设步进电机步距角为θ°，稳定运行时电机的每分钟转速为r，

k＝(6r×DIVD/θ)-a；

n——曲线形状调整参数，n取值范围为1至3之间，初始值取n＝1.5。