步進電機的速度控製及運動規律。

      步進電機區別於其他控製用途電機的最大特點是，它可以通過接收數字控製信號(電脈衝信號)並轉化成為與之相對應的角位移運動或直線位移運動，因而本身就是一個完成數字模擬轉化的執行元件。
      而且它還能對其電機進行開環位置的控製，每當輸入了一個脈衝信號就會得到一個規定單位的位置增量。這樣的增量位置控製凯发首页與傳統的直流伺服凯发首页相比，其成本明顯降低，幾乎沒必要進行凯发首页的調整。因此，步進電機被十分的廣泛應用在數控機床、機器人、遙控、航天等領域，特別是在微型計算機和微電子科學與技術的迅速發展，使得步進電機也獲得了更為廣泛的應用。
      步進電機的轉速取決於脈衝頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈衝頻率成正比，而且在時間上與脈衝同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下，隻要控製脈衝頻率即可獲得所需速度。由於步進電機是借助它的同步轉矩而啟動的，為了不發生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差10倍之多。
      為了充分發揮電機的快速性能，通常使電機在低於啟動頻率下啟動，然後逐步增加脈衝頻率直到所希望的速度，所選擇的變化速率要保證電機不發生失步，並盡量縮短啟動加速時間。為了保證電機的定位精度，在停止以前必須使電機從最高速度逐步減小脈衝率降到能夠停止的速度(等於或稍大於啟動速度)。因此，步進電機拖動負載高速移動一定距離並精確定位時，一般來說都應包括“啟動-加速-高速運行(勻速)-減速-停止”五個階段，速度特性通常為梯形，如果移動的距離很短則為三角形速度特性，如圖1所示。
步進電機控製凯发首页結構
      PC機在適當的時刻通過對硬件控製電路上的8253計數器0賦初值，設置好加減速過程的頻率變化(即速度、加速度變化)，以防止失步。例如，在點位控製中設置好速度曲線圖，在起動和升速時，使步進電機產生足夠的轉矩驅動負載，跟上規定的速度和加速度;在減速時，下降特性使負載不產生過衝，停止在規定的位置。硬件控製電路板上的8253產生脈衝方波作為中斷信號源，啟動細分驅動電路中的固化程序以產生一定頻率的脈衝，經功率放大後驅動步進電機運動。步進電機運動方向的改變及啟動和停止均由計算機控製硬件控製電路實現。
      軟件和硬件結合起來一起進行控製，具有電路簡單、控製方便等優點。在這種控製中，微機軟件占用的存儲單元少，程序開發不受定時限製。隻要外部中斷允許，微機就能在電機的每一步之間自由地執行其他任務，以實現多台步進電機的運動控製。

定時器初值的確定
      步進電機的實時控製運用PC機，脈衝方波的產生采用8253定時器，其計數器0工作於方式0以產生脈衝方波，計數器1工作於方式1起記數作用，8253計數器0的鍾頻由2MHz晶振提供。設計算機賦給8253計數器0的初值為D1，則產生的脈衝方波頻率為f1=f0/D1，周期為T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。其中，f1為啟動頻率，f0為晶振頻率。

步進電機升降速數學模型
      為使步進電機在運行中不出現失步現象，一般要求其最高運行頻率應小於(或等於)步進響應頻率fs。在該頻率下，步進電機可以任意啟動、停止或反轉而不發生失步現象。 步進電機升降速有兩種驅動方式，即三角形與梯形驅動方式(見圖1)，而三角形驅動方式是梯形驅動的特例，因而我們隻要研究梯形方式。電機的加速和減速是通過計算機不斷地修改定時器初值來實現的。在電機加速階段，從啟動瞬時開始，每產生一個脈衝，定時器初值減小某一定值，則相應的脈衝周期減小，即脈衝頻率增加;在減速階段，定時器初值不斷增加，則相應的脈衝周期增大，脈衝頻率減小，對應梯形脈衝頻率特性的減速階段。該設計的關鍵是確定脈衝定時tn，脈衝時間間隔即脈衝周期Tn和脈衝頻率fn。假設從啟動瞬時開始計算脈衝數，加速階段的脈衝數為n，並設啟動瞬時為計時起點，定時器初值為D1，定時器初值的減量為△。從加速階段的物理過程可知，第一個脈衝周期，即啟動時的脈衝周期T1=D1/f0，t1=0。由於定時器初值的修改，第2個脈衝周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0，脈衝定時t2=T1，則第n個脈衝的周期為：
Tn=T1-(n-1)△/f0 (1)
脈衝定時為：
(2)
脈衝頻率為：
1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0 (3)
上式分別顯示了脈衝數n與脈衝頻率fn和時間tn的關係。令△/f0=δ，即加速階段相鄰兩脈衝周期的減量，則上述公式簡化為：
tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)
1/fn=T1-(n-1)δ (5)
聯立(4)、(5)，並簡化fn與tn的關係，得出加速階段的數學模型為：
(6)
其中，是常數，其值與定時器初值及定時器變化量有關，A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。
加速階段脈衝頻率的變化為：
(7)
從(6)、(7)式可以看出，在加速階段，脈衝頻率不斷升高，且加速度以二次函數增加。這種加速方法對步進電機運行十分有利，因為啟動時，加速度平緩，一旦步進電機具有一定的速度，加速度增加很快。這樣一方麵使加速度平穩過渡，有利於提高機器的定位精度，另一方麵可以縮短加速過程，提高快速性能。
對於減速階段，按照與上述類似的分析方法，可以得出脈衝頻率特性的表達方式為：
(8)
(9)
其中，A=-δ, B=(2T1-δ)2,C=8δ，T1為減速開始時脈衝周期，δ為減速階段相鄰兩個脈衝周期的增量。由於T1>>δ，則B=4T12，由(8)、(9)式可以看出，脈衝頻率在減速階段不斷下降，且加速度為負，絕對值以二次函數減小。這種減速性能對步進電機同樣有利，它使步進電機在減速時能夠平穩地停止而沒有衝擊，提高了機器的定位精度。
綜上所述，可以得出本設計的脈衝頻率特性(見圖3)。

實驗及總結
      該方法已經成功的應用於本人設計的智能運動控製單元，通過開發Windows環境下的控製軟件，利用VC++設計良好的控製接口界麵，方便地實現了運動方式、速度、加減速的選擇和位置控製，具有一定程度的智能。該控製單元減少了PC機被占用時間，以便於在電機運行的同時去完成別的工作，從而實現了三台步進電機的加減速和速度及位置控製。並且利用了細分驅動電源，提高了步進精度和定位精度。

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