雙極步進(jìn)馬達(dá)加速和減速過(guò)程應(yīng)用

在馬達(dá)啟動(dòng)前不久，便進(jìn)行一次加速速率計(jì)算。負(fù)責(zé)該計(jì)算的軟件，確定加速度定時(shí)器的時(shí)間間隔和增量因數(shù)大小，然后對(duì)各變量進(jìn)行相應(yīng)的配置。同時(shí)使用這些變量，直到對(duì) SPS 速率的修改足以達(dá)到目標(biāo)速度為止。一旦達(dá)到目標(biāo)速度，加速終止。

減速過(guò)程與加速過(guò)程基本一致，但增量因數(shù)為負(fù)而非正的情況除外。另外，必須規(guī)定一個(gè)馬達(dá)能夠安全停止的新目標(biāo)速度。

圖 3 顯示了一個(gè)加速/減速過(guò)程，其中，加速和減速速率對(duì)稱(chēng)。也可以使用非對(duì)稱(chēng)速率。

圖 3 加速/減速過(guò)程

位置控制

到目前為止，在速度控制環(huán)路中操作馬達(dá)看似十分簡(jiǎn)單。馬達(dá)達(dá)到某個(gè)目標(biāo)速度，然后在某個(gè)時(shí)刻收到停止指令。但是，當(dāng)需要在某段預(yù)定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行某個(gè)預(yù)定步進(jìn)數(shù)時(shí)，結(jié)果會(huì)怎樣呢?加速/減速過(guò)程變得比任何時(shí)候都要重要。在這種運(yùn)行控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有計(jì)劃步進(jìn)都執(zhí)行完畢后馬達(dá)便停止，這一點(diǎn)至關(guān)重要。規(guī)定步進(jìn)數(shù)的變量被稱(chēng)作 number_of_steps。

必須對(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)情況編碼，以使馬達(dá)在規(guī)定時(shí)間停止，不用等待減速命令。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的一個(gè)方法是對(duì)一個(gè)名叫steps_to_stop的變量編程，使其小于number_of_steps。之后，軟件通過(guò)監(jiān)測(cè)steps_to_stop，確定需要開(kāi)始減速的時(shí)機(jī)。

在達(dá)到目標(biāo)速度以前，加速會(huì)一直執(zhí)行。達(dá)到目標(biāo)速度后，在達(dá)到steps_to_stop計(jì)數(shù)(開(kāi)始減速之時(shí))以前，仍允許步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)行。例如，1000步進(jìn)運(yùn)行時(shí)，steps_to_stop設(shè)置為800。因此，馬達(dá)通過(guò)一個(gè)加速過(guò)程啟動(dòng)，持續(xù)運(yùn)行至步進(jìn)800，此時(shí)馬達(dá)開(kāi)始減速，直到停止運(yùn)行。

根據(jù)所有系統(tǒng)變量的配置，我們需要研究下列5種情況(參見(jiàn)圖 4)：

情況1：在馬達(dá)達(dá)到目標(biāo)速度以前所有步進(jìn)結(jié)束。

情況2：馬達(dá)達(dá)到目標(biāo)速度時(shí)所有步進(jìn)結(jié)束。

情況3：達(dá)到停止速度以前所有步進(jìn)結(jié)束。

情況4：達(dá)到停止速度時(shí)所有步進(jìn)結(jié)束。

情況5：達(dá)到停止速度后所有步進(jìn)結(jié)束。

圖 4 5 種加速/減速情況

恰好在達(dá)到停止速度時(shí)馬達(dá)停止(情況4)是一種理想情況。在達(dá)到停止速度前不久(情況3)或者以后(情況5)馬達(dá)停止是可以接受的，具體取決于出現(xiàn)這些情況時(shí)距離理想情況還差多少個(gè)步進(jìn)。例如，如果馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快時(shí)所有步進(jìn)結(jié)束，則馬達(dá)傳動(dòng)軸可能會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而失去位置。但是，如果在所有步進(jìn)執(zhí)行完以前達(dá)到停止速度，則執(zhí)行該次馬達(dá)運(yùn)動(dòng)控制所需的總時(shí)間會(huì)過(guò)長(zhǎng)。

情況1和2僅為說(shuō)明需要，應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員應(yīng)始終確保steps_to_stop小于number_of_steps。了解所有可能出現(xiàn)的情況以后，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，以獲得最佳響應(yīng)。

只需少許微調(diào)的另一種方法是，將步進(jìn)總數(shù)分割成幾個(gè)百分?jǐn)?shù)，分配給每個(gè)加速/減速過(guò)程特定區(qū)域。在這種算法實(shí)現(xiàn)中，可選擇步進(jìn)總數(shù)的20%用以對(duì)馬達(dá)加速，60%用以使馬達(dá)恒速運(yùn)行，其余20%用以對(duì)馬達(dá)減速(參見(jiàn)圖5)。如果number_of_steps為1000，則馬達(dá)以預(yù)設(shè)加速度加速200個(gè)步進(jìn)，然后無(wú)論它達(dá)到何種步進(jìn)速率都停止加速。之后，以這種速率執(zhí)行600個(gè)步進(jìn)，并且最后200個(gè)步進(jìn)執(zhí)行完全部減速過(guò)程。

圖 5 基于百分比的加速/減速過(guò)程

請(qǐng)注意，使用這種算法時(shí)，假設(shè)正確選擇百分比的情況下，步進(jìn)不可能在馬達(dá)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的錯(cuò)誤部分耗盡。就圖5所示例子而言，由于加速和減速部分都很平衡，因此馬達(dá)最可能以相同速度開(kāi)始和停止。這種方法的缺點(diǎn)是，很難保證達(dá)到目標(biāo)速度。如果目標(biāo)速度不那么重要，則可以使用這種算法來(lái)確保馬達(dá)始終在安全速度下停止。

如果速度達(dá)到對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)慢，使用這種算法加速馬達(dá)傳動(dòng)軸的唯一方法是，提高加速速率，或者增加加速/減速區(qū)域中使用的步進(jìn)數(shù)百分比。但是，設(shè)計(jì)人員必須小心操作，不要讓馬達(dá)運(yùn)行速度違反馬達(dá)扭矩/速度曲線。

結(jié)論

雙極步進(jìn)馬達(dá)加速和減速，是所有步進(jìn)馬達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。盡管在過(guò)去十年里，功率級(jí)控制已得到極大簡(jiǎn)化，但是加速和減速過(guò)程應(yīng)用程序仍未從應(yīng)用處理器領(lǐng)域銷(xiāo)聲匿跡。由于各色步進(jìn)馬達(dá)解決方案的存在，能夠正確處理應(yīng)用步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)控制的一些算法，更加容易編碼和微調(diào)。通過(guò)正確地對(duì)馬達(dá)加速和減速，設(shè)計(jì)人員可以確保應(yīng)用高效運(yùn)行，并達(dá)到各種規(guī)范要求。