步进电机加减速控制规律

・测试与控制・０引言近些年来，由于步进电机具有精度高、惯性小、工作可靠，能实现高精度快速开环控制的特点，被广泛应用在各种不同的运动控制系统中。其中，步进电机常用的应用场合就是快速精确定位系统。在实际应用过程中，若步进电机在升降速过程中，脉冲频率的变化不合理，就会使电机失步或者过冲，使系统无法做到精确定位；同时，由于系统快速性的要求，电机需要很快地完成加减速过程。所以必须提供合理加减速运行曲线，在保持定位精度的前提下，提高系统的运行速度。因此有必要了解步进电机加减速的运行规律，对脉冲频率进行合理性研究，找出最佳脉冲输出方案，使步进电机在运行过程中能达到快速定位，运行步数准确。目前国内外步进电机加减速控制方法，主要包括以下三种方法：①直线型加减速速度曲线。此种升降速控制方法计算简单，节省资源，但加速、匀速和减速过程不能光滑过渡，这将影响电机的运行质量和机械系统的使用寿命，所以此种升降速控制方法主要适用于控制系统处理速度较慢，而且对升降速过程要求不高的场合；②指数型加减速曲线。此方法符合系统固有规律，升降速过程快速而平稳，适用于控制系统处理速度快且对升降速过程要求高的场合；③Ｓ型加减速曲线。其运动过程依次为加加速运动阶段，加速运动阶段，减加速运动阶段，匀速运动阶段，加减速运动阶段，减速运动阶段，减减速运动阶段。主要适用于对于加减速平稳性要求较高的场合。本文将主要分析快速性最好的指数型加减速曲线在实际系统中的应用规律。１指数型加减速优化控制方法

对于步进电机来说，如果想得到最快的加减速过程，就需要在每个频率下输出相应的最大转矩，即电机以最大的加速度来运行，就可以得到最快的加减速曲线。步进电机运行时一定满足动力学方程，即电机运行所需的力矩小于在给频率下所能提供的力矩：

Ｊθｄｆ／ｄｔ＋Ｄθｆ＋ＴＬ＜ＴＭ（１）

其中，θ—步距角；Ｊ—转动惯量；ＴＬ—负载转矩；ＴＭ—输出转矩；ｆ—频率。

每个频率下的最大输出力矩可以由电机矩频特性曲线得到，但是一般的矩频特性曲线是整体呈下降趋势的非线性曲线，非常不便于计算；所以在一定的频率范围

内，我们用直线来近似拟合它的特性。电机的输出转矩与频率的关系，由直线拟合得到：ＴＭ＝ＴＭ０－ａｆ（２）

这种近似的关系要根据电机自身的矩频特性曲线和一定频率范围内曲线的特性来确定。ＴＭ０为电机的最大转矩，ａ为拟和直线的斜率。对于不同的电机和在不同的频

率范围内，也可能用二次函数或其他的函数近似表示它们之间的关系。利用直线拟合矩频特性，通过牛顿跌代法和

ｍａｔｌａｂ

中的ｍ－ｆｉｌｅ编程，可计算得到加减速运行时每步所走的速度台阶，即步进电机的指数型加减速运行曲线。

２算法的修正与改进

由上面的理论方法得到的理论加减速曲线，在实际系统的应用中情况并不好，对于负载比较大的系统，所需的加减速台阶数过多，过程非常复杂，消耗了大量的系统

资源，同时步进电机也出现了明显的失步情况，分析其原因在于每个速度只运行一步，还没有完全稳定就运行到

步进电机加减速控制规律李晓菲１，胡泓１，王炜２，程云涛１（１．哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳５１８０５５；２．深圳迈瑞生物医疗仪器有限公司，广东深圳５１８００５）

摘要：对于需要步进电机快速定位的系统来说，一个合理的加减速过程是非常重要的。作者通过对系统的理论分析以及相关实验，提出一种基于单片机的简化后的指数型加减速曲线控制方法。该方法既可以提高快速性，又可以保证系统的定位精度。

关键词：步进电机；加减速控制；单片机中图分类号：ＴＭ３８３．６文献标识码：Ａ文章编号：１００２－６６７３（２００６）０１－１２２－０３

收稿日期：２００５－０８－２４作者简介：李晓菲（１９８０－），男，吉林长春人，哈尔滨工业大学硕士研究生。主要研究方向：单片机应用和步进电机控制。

机电产品开发与创新Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓＶｏｌ．１９，Ｎｏ．１

Ｊａｎ．，２００６第１９卷第１期２００６年１月

１２２・测试与控制・

图２增加负载后的加减速时间增加负载后所用加减速时间所带质量块个数所用时间（ｓ）０．１４０．１２０．１０．０８０．６０．０４０．０２０１２３４５６７８

更高的速度了，所以造成了系统的不稳定。因此曲线需要进行一定的修正。我们将通过一些步进电机加减速实验寻找其中的规律，提供合理的制定优化曲线的方法。２．１实验条件及方法实验条件：实验中采用Ｐ８９Ｃ５１ＲＤ２ＨＢＡ芯片作为步进电机的控制器，采用ＬＭＤ１８２４５芯片作为驱动芯片，提供１．８Ａ和０．９Ａ的恒流斩波驱动电流，电机为两相混合式步进电机ＫＨ５６ＪＭ２－９５１和ＫＨ４２ＪＭ２－９５１，光电编码器为ＬＥＣ－２００ＢＭ－Ｇ０５Ｄ，实验负载可设定为电机转子转动惯量的１０倍，２０倍，３０倍等几种不同的情况。实验环境：实验室中进行，常温，标准空气指标。实验方法：通过运动控制器控制电机加减速时的运行频率以及运行步数，通过光电编码器来检测电机所实际运行的步数，来判断电机是否发生过冲和失步。如果电机正常运行，则认为加减速曲线合理。２．２最优加减速趋势首先，我们需要知道电机在什么样的加减速趋势下，可以用最短的时间完成加减速过程。所以，对于同一个负载，应用不同趋势的加减速曲线，观察哪种方式下运行最快。图１表明纵轴为对于同一负载，电机按照不同的加减速趋势运行，使电机正常运行所需的最少时间。①为采用加速较快的指数曲线趋势所用的时间；②为采用负载所对应的理论的加减速趋势所用的时间；③为采用加速较慢的指数曲线趋势所用的时间。通过实验，我们发现对于负载来说按照理论上的优化曲线趋势下运行，比其它加减速趋势所用时间短，所以我们可以认为：虽然完全应用理论上的加减速曲线会有很多缺点，但是有理论求取的加减速趋势是非常合理的，带来了很好的快速性。这里需要说明的是：为了保证步进电机正常运行，在应用这些曲线时进行了低频修正—增加低频运行时的步数，直到电机正常运行为止。２．３实验规律虽然按照低频修正后理论上的加减速曲线运行，电机运行速度非常快，但是也存在一定的问题：①加减速台阶过多，非常的复杂，给系统带来了一定的负担；②系统缺乏鲁棒性，负载的少量增加，就会导致系统无法正常运行；③没有很好的规律性，对于不同的负载，设定加减速过程不方便。为了减少运行台阶，对于理论计算得到的加减速曲线中的某些速度台阶，步进电机就直接跳过去，到下一个速度台阶。我们通过实验发现了这样的规律：选取理论上的优化曲线中的一些台阶作为运行曲线，电机仍

可以正常运行，但是要增加每个速度台阶的步数，同时所用的使电机正常运行的最小时间也将增长。电机运行台阶数越多，使电机正常运行的最小时间也就越少。

同时，我们通过实验也发现：时间随着所取台阶数的减少而增长，但是对于加速过程和减速过程的影响是不同的。随着索取台阶数的减少，加速过程所用时间明显增

加，减速过程所用时间变化则较小。

３提出新优化方法

通过作者在实际工作中的经验，提出了一种升降速曲线的优化方法：电机的加减速趋势采用理论计算得到的指数加减速曲线趋势，上升和下降的台阶数分别取相应的理论优化曲线的一半，然后每个上升台阶走５步，每

个下降台阶走３步，这样就可以保证电机正常运行，而且有较快的速度，同时减少了运行的台阶数，使曲线更简单，同时即使负载有少量的变化，电机也可以正常运行，

使系统的鲁棒性更好！将这种方法应用于实际系统中，得到了非常良好的效果。负载为电机转动惯量的２０倍，电机转速初始速度为

８００ｐｐｓ，连续运行速度为４８００，原来的方法是采用直线趋

势的梯形法，加减速运行时间为３７７．２ｍｓ，运行标准误差为０．７１７３个光电脉冲。采用新的方法后加减速运行时间为

１０４．１ｍｓ，运行标准误差为０．５０９个光电脉冲。运行时间有

明显的减少，定位精度却没有被影响。这种方法也应用到了其他的一些系统中，应用效果良好。

如图２所示，在相当于２０倍电机转子转动惯量的转盘负载上，加载转动惯量与电机转子相等的质量块。当放上４个

负载块的时候，仍

可以使用原有曲线正常运行。也就是说当负载变化２０％的时候，系统仍可以正常运行。

４结论

从根本上来说对于步进电机的加减速过程，其实是加减速过程与运行时间之间的辩证的关系，加减速趋势越好，时间越短；同时，影响因素还包括电机所取每步的速度

差距的大小，以及加速过程的长短。

图１采用不同趋势所用的加减速时间（下转第１２８页）

相同负载不同加减速曲线０．２０．１８０．１６０．１４０．１２０．１０．０８０．６０．０４０．０２０

加减速所用时间（ｓ）

加减速曲线１加减速曲线２加减速曲线３

１２３・测试与控制・电机每步运行的速度差距过大，会使电机输出力矩不足，无法正常运行；加减速过程过短，则需要更多的运行时间来使其稳定运行。通过在实际工作和实验中得到的经验，我们可以得出这样的结论：为了得到更好的快速性和运行平稳性，可以完全应用理论上的优化曲线，上升和下降的台阶数分别取相应的理论优化曲线的一半，然后每个上升台阶走５步，每个下降台阶走３步，这样就可以保证电机正常运行，而且有较快的速度，同时减少了运行的台阶数，使曲线更简单，同时即使负载有少量的变化，电机也可以正常运行，使系统的鲁棒性更好！参考文献：［１］刘亚东，李从心，王小新．步进电机速度的精确控制［Ｊ］．上海交通

大学学报，２００１，１０．［２］王鸿钰．步进电机控制技术入门［Ｍ］．上海：同济大学出版社，１９９９．［３］刘宝廷，程树康．步进电动机及其驱动控制系统［Ｍ］．哈尔滨：哈尔

滨工业大学出版社，

１９９７．

［４］王晓初，何捷步．进电机自动升降速及其单片机控制［Ｊ］．微特电机，１９９８，２．［５］Ｄ．Ｏ．Ｃａｒｒｉｃａａ，ｂ，Ｓ．Ａ．Ｇｏｎｚ＿ａｌｅｚａ，ｃ，D，Ｍ．Ｂｅｎｅｄｅｔｔｉａ，ｂ．Ａ

ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｓ．Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓｓ．

ＡｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄＤｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＳｔｅｐｐｅｒＭｏｔｏｒＬＩＸｉａｏ－Ｆｅｉ１，ＨＵＨｏｎｇ１，ＷＡＮＧＷｅｉ２，ＣＨＥＮＧＹｕｎ－Ｔａｏ１

（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｈｅｎｚｈｅｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１８０５５，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈｅｎｚｈｅｎＭｉｎｄｒａｙＢｉｏ－ＭｅｄｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏ．，Ｌｔｄ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１８０５５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｔｈｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒ，ｉｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｂｙｔｈｅｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｈｏｌｄｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ