雙極步進(jìn)馬達加速和減速過(guò)程應用

在馬達啟動(dòng)前不久，便進(jìn)行一次加速速率計算。負責該計算的軟件，確定加速度定時(shí)器的時(shí)間間隔和增量因數大小，然后對各變量進(jìn)行相應的配置。同時(shí)使用這些變量，直到對 SPS 速率的修改足以達到目標速度為止。一旦達到目標速度，加速終止。

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

圖 3 顯示了一個(gè)加速/減速過(guò)程，其中，加速和減速速率對稱(chēng)。也可以使用非對稱(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)路中操作馬達看似十分簡(jiǎn)單。馬達達到某個(gè)目標速度，然后在某個(gè)時(shí)刻收到停止指令。但是，當需要在某段預定時(shí)間內執行某個(gè)預定步進(jìn)數時(shí)，結果會(huì )怎樣呢?加速/減速過(guò)程變得比任何時(shí)候都要重要。在這種運行控制拓撲結構中，所有計劃步進(jìn)都執行完畢后馬達便停止，這一點(diǎn)至關(guān)重要。規定步進(jìn)數的變量被稱(chēng)作 number_of_steps。

必須對馬達運動(dòng)情況編碼，以使馬達在規定時(shí)間停止，不用等待減速命令。實(shí)現這個(gè)目標的一個(gè)方法是對一個(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)監測steps_to_stop，確定需要開(kāi)始減速的時(shí)機。

在達到目標速度以前，加速會(huì )一直執行。達到目標速度后，在達到steps_to_stop計數(開(kāi)始減速之時(shí))以前，仍允許步進(jìn)馬達運行。例如，1000步進(jìn)運行時(shí)，steps_to_stop設置為800。因此，馬達通過(guò)一個(gè)加速過(guò)程啟動(dòng)，持續運行至步進(jìn)800，此時(shí)馬達開(kāi)始減速，直到停止運行。

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

情況1：在馬達達到目標速度以前所有步進(jìn)結束。

情況2：馬達達到目標速度時(shí)所有步進(jìn)結束。

情況3：達到停止速度以前所有步進(jìn)結束。

情況4：達到停止速度時(shí)所有步進(jìn)結束。

情況5：達到停止速度后所有步進(jìn)結束。

圖 4 5 種加速/減速情況

恰好在達到停止速度時(shí)馬達停止(情況4)是一種理想情況。在達到停止速度前不久(情況3)或者以后(情況5)馬達停止是可以接受的，具體取決于出現這些情況時(shí)距離理想情況還差多少個(gè)步進(jìn)。例如，如果馬達轉動(dòng)過(guò)快時(shí)所有步進(jìn)結束，則馬達傳動(dòng)軸可能會(huì )因轉動(dòng)慣量而失去位置。但是，如果在所有步進(jìn)執行完以前達到停止速度，則執行該次馬達運動(dòng)控制所需的總時(shí)間會(huì )過(guò)長(cháng)。

情況1和2僅為說(shuō)明需要，應該不會(huì )出現，因為設計人員應始終確保steps_to_stop小于number_of_steps。了解所有可能出現的情況以后，設計人員可以簡(jiǎn)單地對系統進(jìn)行微調，以獲得最佳響應。

只需少許微調的另一種方法是，將步進(jìn)總數分割成幾個(gè)百分數，分配給每個(gè)加速/減速過(guò)程特定區域。在這種算法實(shí)現中，可選擇步進(jìn)總數的20%用以對馬達加速，60%用以使馬達恒速運行，其余20%用以對馬達減速(參見(jiàn)圖5)。如果number_of_steps為1000，則馬達以預設加速度加速200個(gè)步進(jìn)，然后無(wú)論它達到何種步進(jìn)速率都停止加速。之后，以這種速率執行600個(gè)步進(jìn)，并且最后200個(gè)步進(jìn)執行完全部減速過(guò)程。

圖 5 基于百分比的加速/減速過(guò)程

請注意，使用這種算法時(shí)，假設正確選擇百分比的情況下，步進(jìn)不可能在馬達運動(dòng)過(guò)程的錯誤部分耗盡。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，很難保證達到目標速度。如果目標速度不那么重要，則可以使用這種算法來(lái)確保馬達始終在安全速度下停止。

如果速度達到對應用來(lái)說(shuō)過(guò)慢，使用這種算法加速馬達傳動(dòng)軸的唯一方法是，提高加速速率，或者增加加速/減速區域中使用的步進(jìn)數百分比。但是，設計人員必須小心操作，不要讓馬達運行速度違反馬達扭矩/速度曲線(xiàn)。

結論

雙極步進(jìn)馬達加速和減速，是所有步進(jìn)馬達應用設計的關(guān)鍵部分。盡管在過(guò)去十年里，功率級控制已得到極大簡(jiǎn)化，但是加速和減速過(guò)程應用程序仍未從應用處理器領(lǐng)域銷(xiāo)聲匿跡。由于各色步進(jìn)馬達解決方案的存在，能夠正確處理應用步進(jìn)馬達運動(dòng)控制的一些算法，更加容易編碼和微調。通過(guò)正確地對馬達加速和減速，設計人員可以確保應用高效運行，并達到各種規范要求。