论文步进电机控制系统建模加减速曲线优化是关于步进电机方面的的相关大学硕士和相关本科毕业论文以及相关步进电机工作原理动画论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。
摘 要：为了优化步进电机开环控制系统,对其加减速曲线的控制性能进行了研究.以步进电机运行原理为基础,建立了两相混合式步进电机开环控制系统仿真模型,设计了一种和电机矩频特性更为符合且可以用于实时在线计算的抛物线型加减速曲线算法,并和典型的匀加减速曲线算法、指数型加减速曲线算法进行了仿真比较分析,最后进行了实验验证.仿真和实验结果均表明,在相同的控制周期内,抛物线型加减速曲线的最大无失步转动角度有了显著提高,同时其中间过程的位置跟踪误差和平衡位置处的残余振荡误差也较小.抛物线型加减速曲线具有更快速的动态响应能力,已在某相控阵列天線的单元相位控制中得到了应用.
关键词：步进电机；开环控制；系统建模；加减速控制；抛物线型加减速
中图分类号：TM 383.6
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2018）01-0037-06
0 引 言
步进电机是一种将数字脉冲转换为相应位移增量的电磁机械.在正常工作状态下,电机位移输出和数字脉冲输入严格同步,具有较高的控制精确度,且控制方法简单、启停迅速、性能稳定,广泛应用于数控机床、机器人等领域[1].
目前,步进电机控制方法有开环控制和闭环控制两种.步进电机闭环控制方法见文献[2-3].在步进电机转轴上安装传感器来检测电机转子位置形成闭环,并采用自适应、变结构模糊等控制算法,整个系统的实现成本和控制复杂度都较高.随着细分驱动技术的发展,电机输出跟踪输入的同步能力不断提高,再通过合适的加减速曲线算法的优化,可以有效避免失步、振动等现象.由于其实现简单,控制精度和系统稳定性能满足大多数应用需求,开环控制是步进电机的主要控制方式,其研究主要集中在加减速曲线优化和具体实现上.
典型的加减速曲线有：梯形曲线、指数型曲线、S型曲线等[4-9],它们均在一定程度上反映了矩频特性对加速过程的限制,在适当条件下有其实用价值.周黎等人设计了一种正矢型加减速曲线[8],能较好地抑制运动过程中的冲击及残余振动；但并不适合对动态响应有快速要求的场合.
本文以两相混合式步进电机位置旋转系统为对象,建立开环控制系统仿真模型,设计和电机矩频特性更为符合且可用于实时在线计算的抛物线型加减速曲线算法,并和典型的加减速曲线进行仿真比较分析,最后进行实验验证.
2.2 矩频特性分析
为了使步进电机既不发生失步或过冲,又能快速达到所需的运行速度,关键在于电机运行过程中,在各个运行频率下所需的转矩既能充分利用各个频率下的转矩,又没有超出其转矩.若加减速曲线在各个运行频率下所需的转矩完全符合矩频特性规律,那将是一种最优的理想加减速曲线.下面分析匀加减速、指数型加减速和抛物线型加减速3种方式的矩频特性利用情况：
1）匀加减速也称为梯形加减速,在整个加速减过程中所需的转矩T1是恒定的.若矩频特性规律如图3所示,可知该方法没有充分利用电机低速时具有较大力矩的特点,所以加速时间和所能达到的运行频率之间f1存在着矛盾关系.显然这不是一种较佳的加速方式.
2）指数型加减速,其加速度和运行频率之间满足的线性变化规律[8]为
dfdt等于A-Bt.（15）
通常的步进电机矩频规律为：在运行频率f较小时,电机转矩T基本恒定,而当f增大时T随f近似线性下降,所以,式（15）是对电机矩频特性的一种较好的近似.
3）抛物线型加减速.通常的步进电机矩频规律为：在f0后的一段内,T随f线性下降,但斜率不大；而当f较大时,T随f的下降加快.对于这种矩频特性,抛物线型加减速曲线能更好地符合其矩频特性规律,这是因为抛物线型加减速曲线所需的转矩和运行频率的关系[12]为
3 仿真分析
以某步进电机位置旋转系统为对象,利用前文的步进电机开环控制系统仿真模型,对上述3种加减速曲线分别进行仿真研究.采用SanyoDenki公司生产的边长为14 mm的两相混合式步进电机,转子齿数为50齿,最大输出转矩为6.5 mN·m.采用256细分的微步细分驱动,理论上的步进角达到了0.007°.负载转动惯量JL取3×10-7 kg·m2,电机轴转动惯量JM为0.58×10-7 kg·m2,粘滞阻尼D取0.0001 N·m·s/rad.电机从静止启动到刚好停止的转动时间为100 ms,其中加速、匀速和减速时间分别为40 ms、20 ms和40 ms.这3种加减速方式下设计的速度曲线及其相应的步进脉冲序列的典型仿真结果如图4所示.
分别采用这3种速度曲线作为仿真系统输入,执行仿真系统,可以得到负载运动的速度、位置曲线等.仿真结果表明：在100 ms控制周期内,采用匀加减速曲线,步进电机的最大无失步转动角度为630°；采用指数型加减速曲线,最大无失步转动角度为450°,较匀加减速曲线降低了180°；而采用抛物线型加减速曲线,最大无失步转动角度达到810°,较匀加减速曲线提高了180°,提高了约30%.在最大无失步转动过程中,这3种速度曲线的负载端角位移和时间关系仿真结果如图5所示,其中实线为输入的角位移曲线（设计的速度曲线的一次积分）,虚线为负载端的角位移曲线.可以看出,这两种角位移曲线具有较好的吻合程度,说明设计的速度曲线能够实现对步进电机的精确控制.将它们作差值处理,将得到运行过程中的位置跟踪误差,以及输入停止后负载在平衡位置处的残余振荡过程,如图6所示.可以看出,抛物线型加减速曲线的中间过程位置跟踪误差最小,而在平衡位置处的残余振荡误差也较小,在-0.5° ～ 0.5°范围内.在上述电机转动过程中,这3种加减速方式下设计的速度曲线和仿真得到的负载端的速度曲线和时间关系如图7所示.这3种加减速的速度曲线均基本符合预期的设计要求,但在速度曲线不同阶段的转换处所需转矩不平滑,有一定的谐振振荡冲击,可能会诱发系统机械振动.
总结:本论文主要论述了步进电机论文范文相关的参考文献,对您的论文写作有参考作用。
参考文献：
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