李東君

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211188)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種開環(huán)控制元件，因其在工作過程中不產(chǎn)生累計(jì)誤差，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但在工業(yè)控制的加減速過程中，要防止“失步”與“過沖”現(xiàn)象，保證控制過程中平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確。本文針對板材切割類中小企業(yè)的實(shí)際情況，應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，在現(xiàn)有普通剪板機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了全自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化，提高現(xiàn)代化水平。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在控制過程中，加減速控制是改造過程的關(guān)鍵因素，因此，本文主要結(jié)合實(shí)際分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速控制的關(guān)鍵技術(shù)，為中小企業(yè)進(jìn)行剪板機(jī)的全自動(dòng)改造提供重要參考。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的等加等減速控制曲線

圖1 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用的加減速控制曲線，實(shí)際控制過程中常常根據(jù)試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)獲取。圖1(a)為勻加速勻減速控制曲線，控制過程相對簡單，編程方便容易實(shí)現(xiàn)。按直線加速時(shí)，加速度是恒定的，要求轉(zhuǎn)矩也是恒定的，但因電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是非線性關(guān)系，故加速度與頻率也是非線性關(guān)系，實(shí)際控制中，因轉(zhuǎn)矩下降會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。圖1(b)為指數(shù)加減速控制曲線，該控制曲線是工業(yè)控制的最佳選擇，主要是由于電機(jī)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制關(guān)系類似指數(shù)規(guī)律[1]。

2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)查表法等加速等減速控制流程

考慮剪板機(jī)的生產(chǎn)實(shí)際，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免程序運(yùn)算耽誤步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，簡化程序編制，采用查表法完成速度控制。查表法就是將離散升降速曲線獲得的轉(zhuǎn)速-時(shí)間常數(shù)序列，存放在程序存儲(chǔ)器中，重置定時(shí)常數(shù)，實(shí)現(xiàn)加減速的快速控制，圖2 為其加減速控制流程圖。為了簡化計(jì)算，減速時(shí)也采用與加速時(shí)相同的方法，取加速的逆過程設(shè)計(jì)［2］。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制的第一個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的當(dāng)前位置參數(shù)，通常是絕對位置。絕對位置是有極限的，其極限是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍，超過極限則要報(bào)警。另一個(gè)參數(shù)就是從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的距離，將這個(gè)距離參數(shù)折算成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)。如圖2 所示，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，若為正轉(zhuǎn)，絕對位置減1，進(jìn)行下一步，若越界則停機(jī)報(bào)警，若沒有越界，繼續(xù)走一步，判斷是非加速，若沒有則加速步數(shù)減1，直至加速步數(shù)減為0，則達(dá)到恒速過程，升速過程完成，減速過程參考加速逆過程，當(dāng)減速步數(shù)減為0 時(shí)，則停機(jī)返回。

圖2 加、減速控制程序流程圖

3 指數(shù)曲線升降速查表法

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速控制曲線表達(dá)式:

式中:fq為實(shí)際起動(dòng)頻率;fm為最高運(yùn)行頻率;τ 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間常數(shù)，一般升降速過程可認(rèn)為相同。對于這種指數(shù)曲線的控制，使用匯編語言難度太大。采取離散法時(shí)，插入點(diǎn)受限，在實(shí)際控制中調(diào)試復(fù)雜，柔性調(diào)整其控制狀態(tài)不方便。所以，一般應(yīng)用類似的拋物型曲線進(jìn)行理想曲線逼近，拋物曲線運(yùn)算簡單，單片機(jī)編程方便，故可對剪板機(jī)加減速控制過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［3］。

解得:T=0.138 051 3 s，τ=0.049 791 5 s。

假定時(shí)間的單位為s，以10-4s 為1 個(gè)單位，問題就可轉(zhuǎn)化到［0，1 380.513］區(qū)間上，故采用查表法完成速度控制。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)指數(shù)曲線進(jìn)行離散處理，計(jì)算過程分成12 級，每級100 步，為了順利起動(dòng)加一起動(dòng)級。計(jì)算過程如下:

②計(jì)算級頻率。Δti=ti+1-ti，Ti=Δti/100，fi=1/Ti，ti為t1，t2，…，t11;得f1，f2，…，f12，如表1 所示，頻率曲線如圖3 所示。

③根據(jù)頻率計(jì)算定時(shí)常數(shù)。單片機(jī)主振頻率fosc=12 MHz，預(yù)置數(shù)定時(shí)常數(shù)的計(jì)算用下式:t=(216-X)T。脈沖時(shí)間間隔t 為定時(shí)時(shí)間，X 為定時(shí)常數(shù)。計(jì)算定時(shí)常數(shù)如表1 所示。

表1 加速、減速控制定時(shí)常數(shù)計(jì)算表

根據(jù)實(shí)際情況，為了解決提高定位速度和保證定位精度之間的矛盾，采用如下方法:把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位過程分成兩個(gè)階段，即粗定位與精定位兩個(gè)階段，這兩個(gè)階段對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)地控制都采取一樣的頻率脈沖，但選取不同的脈沖當(dāng)量δ。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，粗定位階段采取四相四拍運(yùn)行，精定位階段采取四相八拍運(yùn)行。四相四拍運(yùn)行階段是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加速段全部、高速運(yùn)行段和減速段的部分，脈沖當(dāng)量0.02 mm。當(dāng)擋料器快移至接近目標(biāo)時(shí)，可轉(zhuǎn)換四相八拍運(yùn)行，以提高定位精度，脈沖當(dāng)量0.01 mm，讓擋料器慢慢趨近于目標(biāo)點(diǎn)。編程設(shè)計(jì)時(shí)注意步數(shù)計(jì)算和查表法中加減速步數(shù)設(shè)定(加速段全部和減速段部分的步數(shù)減半)［4］。

4 結(jié) 語

針對板材切割類中小企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際情況，本文通過分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在全自動(dòng)剪板機(jī)中的等加等減速控制曲線與控制流程，對比了梯形曲線與指數(shù)曲線控制特點(diǎn)，選擇了最優(yōu)的指數(shù)曲線對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，通過分析計(jì)算指數(shù)曲線的升降速控制參數(shù)，并列出計(jì)算結(jié)果，對指導(dǎo)中小企業(yè)進(jìn)行剪板機(jī)的全自動(dòng)改造具有積極的意義［5］。

［1］ 楊紅紅，張琛. 步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)升降速控制［J］. 電氣自動(dòng)化，2000，(6):14 -16.

［2］ 崔潔等.步進(jìn)電機(jī)加減速曲線的算法研究［J］. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，(8):45 -49.

［3］ 徐煜明.步進(jìn)電機(jī)速度控制的研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 工礦自動(dòng)化，2007，(2):82 -85.

［4］ 王建等. 步進(jìn)電機(jī)加減速控制技術(shù)研究［J］. 工礦自動(dòng)化，2006，(6):65 -67.

［5］ 李東君.基于單片機(jī)技術(shù)的全自動(dòng)剪板機(jī)研制［J］. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2005，(5):121 -123.