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闭环PID角度减小方向的转动

闭环PID角度减小方向的转动

[来源:http://www.hqmotorcn.com]    [作者:东莞电机厂]    [日期:2018-02-08 11:04]    [热度:]

驱动芯片的STEP、DIR、MS0、MS1、ENABLE、RESET几个引脚与控制芯片相连,MS0、MS1两个引脚决定驱动器的工作模式,MS0、MS1引脚电平高低与工作模式的对应关系如下表1所示;ENABLE为使能引脚,当该引脚电平为高时使能驱动器,引脚电平为低时驱动器没有输出;RESET为休眠功能选择,低电平有效;STEP为脉冲输入引脚,东莞电机在脉冲的上升沿触发运动,一个脉冲对应控制电机转动一个微步;DIR为方向输入引脚,当输入为高时,电机向角度增加的方向转动,输入为低时,电机向角度减小的方向转动。具体驱动电路如下图1所示,其中STEP_1、DIR_1、EN_1、DIAG_1、RESETn_1引脚与主控芯片STM32相连,Header4的四个引脚与外部的步进电机相连。

表1:微步模式表

MS1 0 0 1 1
MS0 0 1 0 1
微步模式 全步进 半步进 四分之一步进 十六分之一步进

图1:电机驱动电路

电机驱动电路

图2:伺服系统硬件电路板实物图

伺服系统硬件电路板实物图

环球电机存在低速时振动、噪声大和频率突变容易引起堵转、失步或超步导致控制不准确的问题。采用细分驱动技术可以减少电机低速转动时振动,还可以减小步距角、提高分别率;采用合适的控制方法可以降低甚至消除因超步、失步引起引起的控制不准确的问题。因此本节介绍了细分驱动技术的原理和步进电机的开闭环控制方法。

 

东莞电机工作原理在本质上是变化的电流在励磁绕组上产生变化的磁场带动转子转动。当步进电机工作时,绕组上的和磁场将以一个固定的角度旋转,带动步进电机以该角度转动。如果对这个角度进行细分,就可以对电机的步距角进行细分。由于绕组上产生的磁通量值是正比于电流值,因此可以通过控制通过电机的电流大小和方向来控制绕组上和磁场的变化,从而控制电机转动的步距角。因此,当需要对东莞电机步距角进行细分时,需要精确控制通过电机的每相电流的大小和方向。

 

以系统采用的A3981芯片为例,介绍电机正弦细分驱动的工作原理。如果可以控制电机的两相电流可以按相位差90度的正弦规律变化,那么绕组的和电流或和磁场将以恒定的角度做圆周运动。和电流每变化一个周期需要转动四个完整步,即:L=1,因此在16细分模式下,每个电流变化周期需要64个微步,如图3所示,在整个电流变化周期中包括点0-63共64个点,其中横轴的电流值,纵轴的电流值。当需要控制电机走多少个微步时,驱动器输出的电流方向、大小可以从相电流分布图中读出。在图中我们定义4=1,1=0时为相电流0点的位置(即电流周期开始时刻),每90°代表步进电机一个整步。90/16=5.625度,则每变化一个微步在相电流分布图上变化5.625度,根据当前角度可计算每相电流的大小与方向。

图3:两相电流分布图

两相电流分布图

在实际的应用中,尤其在要求快速响应的控制系统中,如何避免步进电机在频繁的启停、速度突变的高速运动中失步、超步和堵转等问题是步进电机控制的关键。而电机的超步、失步、堵转与电机的变速特性有关。因此步进电机开环控制关键是对电机速度进行合理的控制,一定要有加速-恒速-减速-停止的过程,步进电机的速度控制曲线直接影响了电机运行的平稳性和系统定位精度。

 

根据以往的研究表明,直线型控制方式减速过程中,在负载范围内虽然可以完成减速过程,但是会出现过冲、稳定性差、噪声大等现象;同时因为电机的加速、减速过程是以恒定加速度完成的,并没有充分考虑电机矩频特性的影响,在高速转动时可能会出现失步现象。所以环球电机在小角度的控制中不适合使用直线型速度控制方法。

 

S型速度曲线由于其加速度和速度的连续性,能保证步进电机在运动过程中,速度和加速度都没有突变,提高了电机运行平稳性,减小冲击,可以运用于精确控制。但是对于步进电机控制器来说,S型速度曲线算法复杂,占用资源比较多,响应慢,并不适用于步进电机的是实时控制。

 

指数型曲线在实际的软件编程中计算量很大,浪费处理器处理时间,所以提出了离散逼近的方法获取合适的指数型速度曲线,将提前计算好的数据以表格形式存储在主控芯片的Flash或ROM中,在控制过程中直接读取。电机工作时,以启动频率直接启动,并按存好的指数型规律控制速度。由于指数型速度控制方法需要事先计算好控制参数并存在控制器内存中,占用了大量的数据空间,并且需要在多细分模式下才能完成控制,增加了控制成本。

 
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