减速控制

减速控制（共7篇）

减速控制 篇1

步进电动机是一种用脉冲控制的电机,利用单片机的四个8位可编程I/O口很容易对其实现数字控制。基于微控制器控制的步进电动机系统,易于控制,易于定位,在精确控制中特点尤为突出。步进电动机以数字信号来驱动。若每旋转一圈以10个励磁信号来计算,则每个励磁信号能使步进电动机前进36°。旋转角度与脉冲数成正比,正反转则由励磁脉冲顺序来控制。步进电动机的励磁方式有1相励磁、2相励磁及1~2相励磁三种方式。1~2相励磁法为1相与2相轮流交替导通,属于半步进的方式。因分辨率提高,且运转平滑,每一步可走18°,故被广泛采用。若以其控制步进电动机正转,其励磁顺序见表1。若励磁信号反向,则步进电动机反转。

1 步进电动机加减速定位控制原理

针对步进电动机因起动频率过高可能造成的“失步”(失去同步)现象,我们可以通过加速→恒定高速→减速→恒定低速→锁定,就可以既快又稳地准确定位,如图1所示。

用单片机对步进电动机进行加减速控制,实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速使脉冲逐渐加密,减速时则相反。若单片机使用定时器中断方式来控制电动机的速度,那么加减速控制实际上就是不断改变定时器的装载值的大小。

2 利用Proteus进行仿真电路设计

Proteus是电路分析软件,特别适合单片机等自动控制系统的分析和仿真。Keil软件是和该电路分析软件配套使用的编程软件。

本文介绍的方案是以51单片机为控制器,将单片机产生的数字控制信号加在电机驱动模块芯片上以控制步进电机。通过操作按键,实现步进电机的正反转及步数设置,设计方案采用了PWM技术来控制步进电机,不断改变单片机的数字控制信号来改变步进电机的转速。运用软件与硬件相结合的控制方法,实现单片机对步进电机的加减速定位控制。硬件电路框图如图2所示,电路由以下部分组成:显示模块、AT89C51单片机、按键模块、电机驱动模块ULN2003A和步进电机。

3 仿真效果

参照图2,在Proteus软件的环境环境下,搭建仿真电路如图3所示。图中,U1为单片机AT89C51,LCD1为显示模块,KEY1~KEY3为按键模块,U2为电机驱动模块ULN2003A,示波器A、B、C、D端口分别测试单片机提供给步进电机的4路数字控制信号。在Keil环境下进行源程序编译和联调仿真,按照加减速定位控制原理编写源程序,编译生成扩展名为“.HEX”的目标代码文件。在Proteus中,双击单片机AT89C51,在其中选取Keil下生产的目标代码文件。设置时钟频率,开始仿真,可以看到步进电机的运转平稳。加速阶段PWM控制波形如图4(a)~(d)所示,其中(c)和(d)之间省略了fk在40脉冲/s至9990脉冲/s的各档频率仿真波形。仿真波形显示,在加速过程中,PWM脉冲控制信号逐步加密(其中图a~c的时间轴单位长度为20ms,图d的时间轴单位长度为20us),即频率在逐步提高,直到10000脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步提高。减速阶段的PWM控制波形与加速阶段的PWM控制波形变化恰好相反,PWM脉冲控制信号逐步稀疏,直到10脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步降低。恒定高速或恒定低速阶段,PWM脉冲控制信号维持频率最高或最低恒定不变。同时步进电机转速也维持最高或最低恒定不变。运用Proteus和Keil对步进电机控制进行了加减速定位控制的软硬件的设计。仿真结果表明:采用加减速定位控制方法的步进电机控制系统工作稳定,步进电机可以平稳的加减速或恒速运行,避免了失步现象。控制步进电机的数字信号清晰有规律,并且与理论分析一致。

4 结语

本文针对可能出现的“失步”问题,采取加减速定位控制原理,并利用仿真软件进行仿真,方便的得出比较满意的控制效果。计算机仿真等数字技术的应用,对于分析和解决问题起到了事半功倍的作用。

摘要：步进电动机运用广泛,易于实现自动数字控制。本文针对步进电动机起动容易出现的“失步”现象,采取加减速定位控制的方法,并利用Proteus软件建立了步进电机加减速定位控制的电路仿真模型,在Keil软件下进行源程序编译和联调仿真。仿真结果显示在该种控制方法下,步进电机运行效果良好。

关键词：步进电动机,“失步”现象,加减速定位控制,Proteus Keil

参考文献

[1]康健,王国战,刘静,卢超.Proteus环境下步进电机的控制研究[J].湖南工程学院学报,2010(3):31.

[2]张靖武,周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]陈艳,李娜娜,杨永双.Proteus和Keil在单片机教学中的应用[J].科技教育创新,2009(20):194.

减速控制 篇2

加减速控制是数控系统中十分重要的控制功能，它对系统的精度和性能有重要的影响，在高速加工中，加减速控制显得尤为重要。因此，研究高效、高精度的加减速控制算法，对于开发高性能的计算机数控系统具有十分重要的意义。

本文在文献[1]所介绍的步进电机驱动数控系统的双轴联动硬件直线插补算法的基础上，为保证机床在加工时启动或停止不产生冲击、失步、超程或振荡，对步进电机的进给脉冲频率进行加减速控制。传统的加减速控制方式以单轴插补算法为基础，即同一时刻只能对单方向电机进行控制，为克服这一方式所存在的实现速度慢、占机时间长等不足，提出双轴联动加减速控制方式，并基于CPLD为硬件，给出步进电机加减速控制算法的设计和实现方法。

2 系统构成

在开环控制的数控机床系统中，数控装置输出的脉冲，经过环形分配器，并通过驱动电路进行功率放大，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机在经过减速装置带动了丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。两维数控机床X向运动以X向步进电机作为驱动源，Y向运动以Y向步进电机作为驱动源。控制X向和Y向步进机运动的组合，进而控制刀具在工作台上的两维运动[1]。

3 双轴联动插补加减速控制策略

以步进电机为驱动的开环数控机床，由于位置为开环，切削过程的精确度很大程度上取决于指令脉冲信号，因此，插补算法成为数字控制的核心内容，直线插补算法的好坏与数控加工和快速原型制造的速度和精度有直接的关系。本文通过分阶段改变进给脉冲的频率来控制步进电机的角位移速度，进而改变移动部件的直线位移速度，实现加减速与匀速之间的平稳转换。同时，通过控制频率数控制位移量。

速度变化过程见图1a)所示，横轴为时间，纵轴为速度。随着时间的变化，速度呈台阶式的增长，增长到最佳速度后匀速运动一段时间，到快要结束加工时，速度呈台阶式的递减。根据不同加工工艺的要求确定速度的阶跃量及时间。同时满足以下几点：

(1)加减速运行阶段，速度时间曲线以阶梯形折线拟合匀加速斜线(如图1)。

(2)为提高效率，加减速过程越快越好，但以每次速度阶跃跳变量不超出允许值为原则，即不引起失步和冲击震荡。

(3)加速和减速过程为对称的。

(4)对同一工件，以加减速方式运动时机床移动部件的直线位移，应与以匀速方式运动时的相同，使得机床运动不失步、不超程。

(5)X向与Y向的每一个加速或减速阶段协调控制运行，即每一段X向和Y向电机控制始终保持同时走并同时转换速度，各阶段合成运动方向保持不变与直线方向一致。

设计中采用三相六拍的步进电机，正转时步进机A、B、C相线圈的通电相序为：A→AB→B→BC→C→CA→A。由于速度控制器送出的clk_x、clk_y是单序列脉冲，它不能作为步进机的驱动信号，设计中加入了环形分配器，用于产生满足步进电机相序要求的多项脉冲序列。以CPLD作为控制器的硬件实现。

设计中CPLD器件为Atler公司的ACEX1K30QC208，并在软件QuartusⅡ环境下编译通过，仿真结果如图2所示。

4 结束语

本设计介绍的是一种双向进给的加减速硬件直线插补算法。该算法和传统的逐点比较法等方法相比较，优势十分明显，计算简单，精度高，占机时间短。同时，避免了高速启停对机床造成的冲击。

文中以较为简单的三步式控制数控机床的变速运动为例给出速度控制器的设计及实现。在此基础上，可作为通用硬件插补器进行推广，并且具有软件插补无法比拟的优点。通过扩展可推出三维的直线插补器。

参考文献

[1]王爱玲等.《现代数控原理及控制系统》[M].北京.国防工业出版社.2003.

[2]王太勇,赵巍.基于最小偏差法的步进电机速度控制方法研究[J].机械科学与技术,2005,24(6):698～701.

[3]陈友东,王田苗,魏洪兴等.数控系统的直线和S形加减速研究.中国机械工程,2006,17(15):1600～1604.

减速控制 篇3

关键词：动力装置,加速器,保护

航天动力装置在科学技术发展的要求之下对于其性能的要求也在不断提高。其中动力装置的加减速控制需要越来越精确, 燃油控制也要更加重视。燃油控制在动力控制中属于最根本的地位。燃油稳态控制是对于动力的运行和操作都呈现稳定的态势, 但是对于加速装置和动力装置是过渡态势, 这里要求过渡的平稳性和爆发力, 对速度要求比较高。加速减速的控制是航天动力研究的关键领域, 是过渡区的关键部分, 也是研究的重点。由于电子信息技术的不断发展, 对于航天动力的控制也逐渐变成电子控制, 这减轻了工作人员的压力, 减轻了操作复杂性。PID控制是用在燃油控制上面的一个控制方法, 可以有力地提升控制的精确性。

一、涡轴机发展历史

世界上第一台涡轴机是由一个美国人在20世纪中期发明创造的。在涡轴机被发明之后便不断得到改进和创新, 涡轴机具有以下几个特点, 身轻、体小、易操作、动力大。这些特点在涡轴机实际运用时发挥了很大的作用。渐渐地涡轴机被运用到航天领域, 飞机会用到它。随着涡轴机不断地改进, 涡轴机被运用到各个领域, 在动力装置面前树立了一道丰碑。很多船舶和军工交通工具也运用到了发动机, 因此对于涡轴机的研究也渐渐步上更深一层领域。一些资本主义国家首先进行了发动机研究, 对涡轴发动机进行改进, 促进涡轴发动机进行更新换代。美国的VAATE计划便是其中典范, 其针对涡轴发动机进行了深入地研究。涡轴发动机的综合性能指标不断提高和优化, 为新型号的研制提供了坚实的技术基础, 有力地支持了产品的不断升级换代, 牢牢地占据了世界航空发动机技术的领先地位。时至今日, 发动机已经进展到了第四代发展阶段。20世纪中期为第一代;60年代进行再发展;80年代进行创新改革;90年代是第四代的发展。

1. 我国涡轴发动机发展现状

我国的涡轴发动机的发展历史并不长, 仅有短短30年的历史。因此对于涡轴发电机的研究并没有像欧美发达国家一样深入, 我国的涡轴发动机的技术水平比较低, 理论研究和实际应用衔接不够精准, 对于发动机研究没有一套比较详细的计划方案。因此在涡轴发动机的设计发展上我们落后别人一大截, 为了追赶科技发展的脚步必须进行改革创新, 进行深入性研究阶段。目前的市场多依靠国外的涡轴发动机, 进行引进。但是引进的发动机水平普遍性不高。所以对于涡轴发动机的研究迫在眉睫。

二、涡轴发动机的状态控制

涡轴发动机的状态控制又有3个方面, 一个是稳态控制还有限制保护控制以及过渡态控制。稳态控制是其中的一个基础控制。稳态控制中会运用到加减速控制回路。这是一个对于航天动力装置的控制, 是我们一致的重点研究对象。PID控制回路就是其中一个重要研究对象。

基于对涡轴发动机的研究, 设计人员明确研究目标, 对于相关控制器做了说明。其中对于加减速控制是研究重难点。对于加减速运动进行有效地控制要采用PID控制和传统的控制方法相结合。利用非线性控制理论去进行加减速控制。PID控制是一种在BP神经网上的控制。这种控制取得了良好的成效。在发动机操控过程中通过加减速进行参数调整。在确保控制器的安全前提下进行相关性操作。通过限制燃油量来进行一种安全状态保护就是限制保护控制 (如图1所示) 。限制保护控制器会对发动机的性能做出测评, 可以有效地保证发动机运行时的安全, 防止出现不必要的损失。

式 (1) 中, △t为第K次采样和第k-1次采样的时间间隔。

三、限制保护

可以使用组合型的控制器进行动力装置的保护。有些动力装置会出现一些预期以外的事故, 使动力装置异常。而限制保护则是通过一些强制性的条件对动力装置进行约束, 避免动力装置被破坏。

四、相关保护措施

1. 转子转速

当动力装置出现超转的现象时通常是由传感器失效等状况导致的。因此需要对动力装置的转速进行限制。限速有对高压转子转速的限制和低压转速转子的限制, 也就是双转子动力限制。

2. 防止压力机出口超压

动力装置通常是有低压出口的压力限制, 这个压力限制通常是为了除冰或者是对换气系统引换气。对压力机的出压值进行压力最大值的限制。对航天动力装置中的各种动力数据进行比对限制。可以通过PID控制器进行数据监控, 确定限制压力数值, 对电流限幅。

五、减速实验

将发动机的转速进行相关调整, 一般是调整到最大转速的90%, 在转速稳定后再进行转速降低调整。可以通过对油门杆角度进行调整。在前50个时间单位内, 燃油速度降低, 转速也降低。在第50个时间单位后, 转速平缓地下降, 切换器已将控制权由减速控制器交给稳态控制器, 过渡过程平顺。减速控制算法在时间、稳定性和准确性上达到设计要求。

结语

对航天动力装置进行各项数据勘测和对加减速进行控制是航天动力研究的重难点。本文就航空动力装置的加减速装置进行分析。涡轴机动力控制和稳态控制回路是动力控制的重要基点。通过对相关文献的参考对于航天动力装置速度控制进行研究, 对于切换动力转换装置进行研究。通过相关的电子操作系统进行科学化管理。稳态控制系统是动力转换中的一个重要环节, 对稳态控制系统的设计需要进行重点设计。

参考文献

[1]王旭昊, 杨帆, 王济, 等.基于切换器的航空动力装置加减速控制方法[J].科学技术与工程, 2016, 16 (8) :137-142.

[2]姚华, 袁鸯, 鲍亮亮.航空发动机神经网络自学PID控制[J].推进技术, 2007, 28 (3) :313-316.

[3]李渊, 董敏周, 张瑞, 等.基于STM32的航空通信总线切换器设计[J].现代电子技术, 2014 (22) :63-66.

减速控制 篇4

减速器噪声产生机理

汽车主减速器是汽车总成的一个重要部件, 其性能对整车质量有着直接影响。减速器作为后桥的核心件, 其主要功用是将输入的转矩增大并相应降低转速, 以及当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用, 并且要求所选用的主减速比能满足汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和经济性。驱动桥的噪声主要来自主减速器的齿轮和其他传动件。齿轮啮合时, 由于齿轮刚度的变化及啮合误差, 引起齿轮间振动力的发生。起振力直接引起空气压力的变化, 透过壳体形成空气传播音;同时也会引起构造物的振动, 经过壳体或线速等传达, 形成固体传播音。我公司生产的减速器是具有固定减速比的下偏置单速减速器, 所配整车为纵置的后桥驱动桥。在驱动后桥中, 减速器齿轮的啮合误差也会引起驱动系和后悬架共振, 发生车内噪声。正常行驶、缓加速、缓减速均有可能发生, 并且随着加速踏板的踩入速度不同, 声音的大小也不同。由于齿轮啮合频率是高频, 所以同环境噪声相比很显著。

减速器生产装配现场的噪声控制

1. 齿轮啮合振动控制

在驱动桥传动系统中, 主减速器的性能是决定该传动系统性能的关键, 而齿轮作为减速器的核心件, 其加工制造质量的好坏对驱动桥, 乃至整车底盘系统的传动性能都有很大的影响。本公司所采用的主减速齿轮类型是格里森制的准双曲面齿轮。齿轮传动的特点是齿轮相互交替啮合, 在啮合处既有滚动又有滑动, 不可避免地要产生齿与齿之间的撞击和摩擦。另一方面, 齿轮的制造误差、安装误差以及发动机曲柄的扭振使其所驱动的齿轮传动的啮合关系遭到破坏, 都会使齿轮产生振动并发出噪声。在生产现场, 首先在配对机上按照齿轮标准参数进行齿轮配对转动, 在从动齿轮凸凹面涂上红丹, 主要通过观察从动齿轮面接触印痕和用分贝仪测试齿轮发出声音来判断齿轮的啮合情况。另外本公司同武汉理工大学合作, 通过跟踪齿轮在配对间的噪声振动情况和减速器总成装配中齿轮的振动情况及在整车上的齿轮振动情况, 规定了齿轮在配对间和减速器总成装配件在静音室正转和反转的振动规定值。在齿轮配对机上和静音室配置了噪声振动检测设备, 检查由于周节累计误差和齿形误差的齿轮和减速器总成装配精度的误差的齿轮每转一圈产生一次冲击振动幅度。主要是检测在齿轮中心连线上纵向和径向上所产生的噪声振动值。这样改变了过去单纯在配对间以检查齿轮印痕和齿轮噪声为主, 静音室以检查减速器噪声值为主, 靠人主观判断的情况。这样有效避免了由于制造误差造成的齿轮缺陷件流入减速器装配现场, 进而流入顾客整车装配现场。

2. 齿轮啮合印痕的工艺控制

啮合印痕是检验齿轮啮合质量的一个重要综合指标, 切齿、热处理、装配之后和加载之后都必须进行啮合印痕试验。目前, 铣齿及热处理对印痕变动规律的研究较多, 而对装配和加载后印痕变化情况则缺乏系统研究。实践证明, 齿轮啮合不良是造成齿轮传动噪声、磨损加剧的重要原因。在生产现场, 对于齿轮印痕是通过配对间齿轮提供的印痕参考对减速器壳进行测量, 并根据实际经验对安装距通过垫片适当加减补偿, 使减速器总成装配齿轮的印痕达到最佳啮合状态。

通过这几年的探索和研究, 公司对齿轮偏置距变大变小和齿轮安装距变大变小及齿轮的装配间隙对齿轮印痕的变化情况摸索出一定规律。结合减速器装配现场, 齿轮印痕的变化情况有如下体现:齿轮安装距变大, 齿轮从动齿轮凸面印痕会向大端齿顶移动, 凹面会向小端齿顶移动;安装距变小, 齿轮从动齿轮凸面会向小端齿底移动, 凹面会向大端齿底移动;齿轮偏置偏大, 齿轮从动齿轮凸面印痕会向小端齿顶移动, 凹面会向大端齿顶移动;齿轮偏置偏小, 齿轮从动齿轮凸面会向大端齿底移动, 凹面会向小端齿底移动;间隙过大, 齿轮从动齿轮凸面印痕会向大端齿顶移动, 凹面会向齿顶移动;间隙过小, 齿轮从动齿轮印痕凸面会向小端齿底移动, 凹面会向齿底移动等。当然还有多种其他情况, 如轴交角大于90°或小于90°的变化, 实际工作中不可能调整轴交角。进行轴交角试验以弄清啮合印痕移动规律, 有助于分析各种误差和变形对啮合印痕的影响。通过这些分析与总结, 有效地减少了由于装配零件质量如减壳金属切削加工的偏置距误差和齿轮制造误差对齿轮啮合造成的影响, 这样最大限度地使减速器齿轮精确地保持正常啮合。因此笔者认为在调整啮合印痕时, 应首先保证正确的啮合印痕, 然后留出间隙, 即遵循“齿轮印痕为主, 啮合间隙为辅”的原则, 抛弃以前过分强调以啮合间隙为主的传统观念。

这些年通过对减速器故障件的分析, 得出齿轮啮合不良是造成减速器噪声异响的一个非常重要的影响因素的结论。同时指出一点, 由于我们在生产现场对齿轮印痕的观察是在齿轮无载荷的情况下检查的。通过对整车减速器齿轮印痕的观察, 齿轮在承受载荷时, 齿轮凸凹面印痕均会向齿面大端移动, 故在减速器装配现场, 印痕调整最好控制在中间偏小端。

3. 齿轮安装在装配时的工艺控制

在减速器壳与轴承形式已定的情况, 主减速器主动齿轮的支承形式及安置方法对其支承刚度影响很大, 这是齿轮能正确啮合并具有较高使用寿命的重要因素之一。对于主从动齿轮的支承件轴承 (锥齿轮一般采用圆锥滚子轴承) 施加适当的预紧力是提高支承刚度的措施之一。预警力的大小直接影响到齿轮传动状态及整个传动系统的精度。在生产现场对主动齿轮的固定通过对轴承选择合适垫片, 消除轴承间隙, 达到轴承预紧的目的。在主动齿轮拧紧机上, 通过伺服电动机旋转, 上紧主动齿轮螺母锁紧扭力, 当主动齿轮扭力达到工艺规定的范围后, 磨合旋转主动齿轮, 测量回转力矩, 测量合格方为通过。这一切均有装配数据记录, 保证了装配质量。这样的装配工艺有效地保持了轴承合适的过盈量。避免了过去由于垫片选择不正确造成轴承过盈量过大和过小的可能。如垫圈选择偏薄, 主动齿轮扭力值还没有达到, 主动齿轮回转力矩达到工艺规定值, 造成过盈量过小。在负载作用下使滚动体与内外环之间产生间隙, 使主动齿产生跳动和窜动, 造成主从动齿轮啮合不良, 噪声增大;如垫圈选择偏厚, 主动齿轮扭力超过规定工艺范围值, 主动齿轮回转力矩才达到工艺规定值, 这样轴承过盈量过大, 导致轴承润滑不良出现异常磨损, 也会是轴承造成松动, 同样会造成主从动齿轮啮合不良。对从动锥齿轮的轴承, 由于其支承结构不同.受热后轴承的预紧可能增加, 故从动锥齿轮的预紧程度不宜超过支承主动锥齿轮的轴承预紧度。同时指出轴承作为减速器除齿轮的另一个传动件, 也会不可避免地出现噪声, 虽然噪声很低, 往往会被主从动齿轮旋转的噪声掩盖, 但轴承对主从动齿轮的支承刚度和啮合频率的影响不能忽视。

4. 连接法兰面端面圆跳动和径向圆跳动在装配现场的工艺控制

在汽车底盘传动系统中, 驱动桥输入轴一端与减速器法兰连接 (见附图) , 另一端与中间轴连接。转动轴的两端都是夹持的, 不平衡量离心力以瞬时速度中心为界归结到两端。故一般传动轴的动平衡都有两个校正面。归结到传动轴两端的离心力以瞬时速度中心为轴心形成轴向力偶, 所以一端的不平衡量将使另一端产生附加振动, 也会影响到主减速器里齿轮的啮合状态。为了使传动轴处于动平衡状态时, 我公司在减速器装配工艺上增加了检查法兰面的端面圆跳动和径向圆跳动, 并在法兰面上标上“轻点”标识。我们同整车公司合作, 在传动轴相应地作了“重点”标识。装配时, 连接发兰面的“轻点”和传动轴的“重点”对应装配, 有效地降低了传动轴的振动噪声和减速器齿轮噪声。

同整车公司合作, 分析减速器振动噪声

众所周知, 汽车噪声有很多种, 来自于发动机、变速器、驱动桥、传动轴和轮胎等。对于整车来说, 减速器的噪声, 有些是由减速器本身装配质量造成的, 有些是与汽车底盘传动系统有关。

主减速器噪声在整车上按其发生机理可分为两类:

(1) 当汽车传动系在小扭振负荷下工作时, 由于传动轴的不等速传动或曲轴扭矩波动所激励的传动系扭振, 将导致主减速器锥齿轮副的轮齿冲击, 由此产生的噪声即称之为主减速器齿轮噪声, 这种噪声会令人不适。

(2) 当传动系发生较强的扭振或弯曲振动, 通过主减速器主动齿轮的偶合作用, 可使驱动桥——悬架系产生绕驱动轮轴线的回转仰角振动 (简称驱动桥回转振动, 有时也称为悬架板簧卷曲振动) , 悬架作用于车身 (承载式或非承载式) 的交变力有诱发驾驶室或车身的薄板振动而产生结构噪声和空气噪声, 称之为驱动桥噪声或悬架噪声。当以上系统的扭转振系、弯曲振系和回转振系发生共振时, 驱动桥回转及由此引起的车内噪声便显著增大, 这种噪声可在较宽的频率范围 (400~2000Hz) 发生, 但频率较单一, 接近于纯音, 人耳对其很敏感, 即使它比车内的其他噪声低10dB, 也会使乘员感到不适。

对于以上原因分析, 我公司同整车公司合作, 共同改进, 得到了良好的效果。整车厂对传动轴进行优化设计和布置, 有效地减少了传动轴的转速波动。公司对供应商锥齿轮制造质量加强控制;对减速器壳和差速器壳金属切削加工采用国内先进的加工中心设备和先进的工艺;对减速器装配工艺不断改进, 保证了减速器总成产品的装配质量。

桥壳结构进行调整 (如焊接加强板等) , 增加桥壳刚性和固有频率。在保证整车动力性和燃料经济性的情况下, 减速器速比不断优化, 使其固有频率远离传动系固有频率, 避免共振引发的噪声。

增加桥壳和主减速器壳的刚度, 避免其受载变形后破坏齿轮的正常啮合。

结语

减速控制 篇5

减速箱前端盖为长方体不规则零件, 端盖上方两端各有倾斜凸出的加油孔和油尺孔两部分。该工艺要求对减速箱体与端盖之间连接面进行精加工, 保证相互间的平行度和光洁度符合图纸设计要求, 同时在箱体和前端盖螺栓连接装配时, 紧固螺栓时应受力均匀, 并涂抹密封胶, 加密封垫, 避免结合面漏油。

箱体结合面的铣削加工为第一道主工序, 也称为原始基准。通过加工后的原始基准, 进行输入和输出传动轴的加工。确保它们都在一个水平基准内, 因此该基准要求严格, 工件的定位和夹紧及切削受力都要求较高。初次找正、找平、繁琐复杂, 对不规则又偏重的减速机前端偏盖, 制作夹具相应来说也比较困难。其立体图如图1所示。

加工工序分析

2 第一道工序:

前端盖结合面的加工, 必须采用等高垫铁找平, 并通过夹具夹紧后, 经检测符合加工要求标准后方可加工。结合面加工完成第一道工序后, 可更换小盘刀具继续加工内部输出轴通孔和输出轴盲孔的加工。

第二道工序:可将翻转工件180度, 使用加工后的端盖结合面为原始基准, 对工件外表面进行输入传动轴法兰口的平面加工。

第三道工序:为倾斜凸出的加油孔和油尺孔的铣削和螺纹加工。因被加工减速机端盖的加油孔和油尺孔都处在箱体上方。需对其进行不同角度的旋转, 并保证垂直、正负角度定位正确、受力均匀等条件, 故需要设计出一个即能保证不同角度的变换。同时还要保证工件夹装时和工作台垂直的夹具来。

本人建议第三道加工方案利用普通铣床加工, 可大大简化加工难度, 避免制作两种不同的正负角度夹装工具。也便于实现工序程序化。

3 前端盖夹具的受力分析

确保原始水平基准找正简单准确, 采用等高定位块托起前端凸凹不平面。为减少定位块过多, 找正、找平困难, 采用三点定位法。但减速箱前端盖为不规则零件, 偏重、定位点外形受到限制等多种不利因素, 不得不增加多点辅助水平定位块来支撑。

如图2所示, 红色为不规则被加工零件, 夹紧块与相对的气缸夹紧块组成三点一面来定位, 考虑气缸对面夹紧块薄弱又增加夹紧筋板支撑。同时考虑到铣刀由一端如刀, 切削力较大, 防止被加工件另外一端受力窜动和往上撅起不利因素, 在入刀点的对面进行较大面积的固定和夹紧, 使其水平面内完成这两个自由度的约束。

定位块共分10块。它们分别是:气缸夹紧块、夹紧定位块、辅助支撑块三种。如图3定位块布置俯视图。

气缸夹紧块2和3是夹紧被加工的不规则箱体端盖使用的, 夹紧定位块1和2、3组成三点一面的定位结构。考虑夹紧块1薄弱又增加夹紧筋板支撑6、7、8、9为切削受力定位块, 其作用是防止两端切削受力时工件前后移动。4、5、10为辅助支撑块, 其作用是在上料、装夹工件时, 因工件两端因偏重倾斜不能水平定位, 故在凸起两端又添加了辅助支撑块。

4. 夹具制作

根据以上分析, 对夹具进行制作, 选择的夹具为高精压铸铝合金材料, 箱体壁厚最大为8mm。为防止夹紧力过大变形, 采用厚度为20—25mm的钢板为加工零件的定位模板。钢板上下两平面经平面磨床加工平行后与机床工作台固定。定位块采用200×200×25mm的钢板, 四面经平面磨床加工后, 用线切割分为等高10块, 按照图示受力分析的布置方案垂直地焊地接在钢板底座上, (焊接时采用间断式点焊, 以免局部受热变形。同时确保各定位块垂直、平行于钢板和被加工零件, 保证三者的都处同平行面内。检测时可用水平仪和平尺配合, 要求精度在0.01—0.02mm范围内。)

通过以上分析和以往的工作经验, 本人认为这种选择是合理并符合基准找平标准的, 被加工零件的初次基准面的选择也是符合材料性能要求的。

5. 气动夹具的确定与工件装、卸的确定

微型气缸安装在被加工的表面处, 由旋转轴的台阶确定气缸高度 (基本上略高于工件一点) 。气缸可以通过自身的旋转轴进行旋转, 它由钢板后面的180度的挡块来限制松开和夹紧两个位置。工件加装时, 拨动气缸并旋转到夹紧挡块规定位置上, 启动气源进入夹紧状态, 零件加工完成后, 关闭气源松开夹紧板, 向反方向拨动气缸转动180度, 取出工件。如图红色线条表示松开和夹紧的两点具体位置。如图4二维线框图所示。

结束语

本文所设计的夹具制作方法简单简单、成本低廉, 受力均匀合理。可以在工作台定位点 (入刀点) 不变的情况下迅速装夹, 也可分组按每台机床加工不同工序来加工。大大提高机床操作手的难度, 尤其是可以把复杂的加工程序变为简单化, 在实施过程中取得良好的效果。

参考文献

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[2]王玉峰.组合式凸焊机焊接固定夹具[P].中国专利:201020260439, 2011-01-1.

减速控制 篇6

关键词：可编程片上系统,步进电机,IP核,脉宽调制,加减速,Avalon总线接口,现场可编程门阵列

0 引 言

步进电机由于具有运动精确、易于控制、快速响应性好、连续运行无累积误差等特点,被广泛应用于数控机床、打印机、机器人等自动控制系统中[1]。步进电机系统由控制器、驱动器和步进电机3部分组成。步进电机控制器通过输出脉冲信号实现电机的转速和机械位置的精确控制,并且电机的总旋转角度与输入脉冲总数成比例。因此,控制器的脉冲信号频率和总脉冲数决定了步进电机的转速和旋转角度。对于步进电机控制器的脉冲信号发生器,需要精确地设定脉冲频率和总数,通常采用PWM技术[2]。

对于由步进电机作为执行机构的控制系统,为保证运动机构在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对驱动电机的信号脉冲频率进行控制,使得电机加速启动时,加在步进电机上的脉冲频率逐渐增加;而当电机减速停止时,加载步进电机上的脉冲频率逐渐减小,即完成步进电机的“启动—加速—恒速—减速—停止”控制[3]。

随着工业自动化技术的发展,对步进电机的控制也不断提高,DSP、FPGA等现代控制方法成为了全数字化智能控制系统的主流方向[4]。Altera公司Nios Ⅱ软核处理器的提出及SOPC技术的进步,从硬件和软件设计上推动了嵌入式系统设计的发展,使得嵌入式系统的硬件电路更加简单、有效,软件设计变得更轻松、移植性更强[6]。并且,利用Altera公司的通用IP核,使得用户可以根据实际需求来定制Nios Ⅱ外围设备,极大的降低了开发难度和成本以及缩短了产品开发周期[7]。但是,对于一些特定的外设,没有现成可用的IP核,用户可以通过自定义逻辑的方法在SOPC设计中添加自定义IP核。

本研究正是从实际应用出发,开发设计了步进电机加减速的PWM控制器IP核,可以直接应用于步进电机控制的多种场合。

1 PWM控制器IP核设计方案

通常定制基于Avalon总线(由SOPC Builder自动生成,是一种理想的用于系统处理器和外设之间的内联总线)的用户外设有两种方法:一种是SOPC Builder提供的元器件编辑器在图形用户界面下用硬件描述语言(Verilog HDL或VHDL)描述的用户逻辑封装成一个SOPC Builder元件,即IP核;而另一种方法则是在Altera公司提供的现有IP核基础上修改其Class.ptf文件,达到实现所需IP模块功能的目的[8]。

本研究所设计的PWM加减速控制模块的任务逻辑图如图1所示。任务逻辑由系统输入时钟(clk)、输入使能信号、输出信号(PWM)、输出使能信号、计数器以及加法器电路组成。计数器内部包括启动频率模式寄存器(mode_reg)、加速度累加器(connter_add)、加速度设定值寄存器(speedup_reg)等。使能控制寄存器(Enable control register)包括读使能信号、写使能信号、字节使能信号等。由于加速模块和减速模块的计数分频设计方法、原理相同,只是起始参数设置不同,故以下着重于从加速模块的算法设计上进行介绍。

2 PWM控制器IP核的设计与实现

一个典型的IP核由以下功能模块组成:

(1) 任务逻辑。任务逻辑完成该IP核的基本功能,用硬件描述语言HDL描述和仿真硬件逻辑组成其基本的硬件设计。

(2) 寄存器文件。寄存器文件提供了任务逻辑与外界交换信息的途径。使得用户可以通过Avalon接口采用“基地址+地址偏移量”的方式访问IP核内部各寄存器[9]。

(3) Avalon接口。Avalon接口为寄存器文件提供了一个标准的Avalon前端。它使用Avalon必须的信号来访问寄存器文件,并且支持任务逻辑的传输类型[10]。

2.1 HDL任务逻辑设计

本研究所设计的HDL任务逻辑主要由使能控制模块、计数器分频模块和寄存器读写模块构成。加减速分频算法描述如下:

调用加速模块时,首先要将使能信号pwm_enable置为1,使能PWM信号输出;选择一种mode模式(电机启动模式列表如表1所示,对应启动频率可预先根据实际需求设定分频计数值即可)决定PWM输出信号的起始频率,即步进电机的启动频率;设置speedup加速度值,根据实际应用设定,并设定加速度计数累加器speedup_limit的极限值。加速过程流程图如图2所示,系统时钟clk为50 MHz信号,经过24位计数器分频,输出PWM信号;而计数累加器每间隔一定时间自动加上加速度数值,增大累加器数值。启动模式设定寄存器mode_reg中设定的初始值减去计数累加器数值作为分频基数,因此分频基数逐渐增大,分频后得到的PWM输出信号频率就变高;随着累加器数值的不断增大,被mode_reg数值减去得到的计数值逐渐减小,故分频得到的PWM输出信号由启动频率开始逐渐增大;当mode_reg的值减去计数累加器的值与事先所设定的speedup_limit的值相等时,停止PWM信号的输出(此时输出的PWM信号频率已经加速至恒速工作时所需的频率),同时输出使能信号Ena由低电平0变为高电平1。至此,步进电机从低速启动到加速至设定值(即speedup_limit作为计数分频值时所产生的PWM频率信号)的PWM加速过程完成。

减速模块的工作过程和加速过程原理相同,只是将初始值设定在分频输出工作时的高频率信号,之后计数分频器的数值随着加速度的每次叠加,使得分频计数器的数值逐渐增大,分频所输出的PWM信号频率逐渐减小,对应电机的转速逐渐降低。直到分频计数器的数值与设定的极限值相等时(此时为电机转动的低速状态,低于电机的额定启动频率,可以直接停止脉冲输出使电机停止),停止PWM信号的输出,步进电机停止转动。此过程对应的就是步进电机减速至停止过程,即为减速模块。

2.2 寄存器组及Avalon总线接口

寄存器为软件提供了访问硬件的通道,一系列寄存器构成了寄存器组。寄存器是根据任务逻辑中需要实现的特定逻辑功能来设定的,任务逻辑中的数据通过寄存器传输。将这些寄存器映射成Avalon Slave端口地址空间内一个单独的偏移地址。每个寄存器都能进行读/写访问,软件可以读回寄存器的当前值,其中的寄存器及偏移地址如表2所示。

PWM控制器IP核的Avalon接口需要一个简单的Slave端口,使用较少的Avalon信号来处理简单的寄存器读/写传输。本研究的Avalon Slave端口与Avalon slave端口时钟信号同步,由于读/写寄存器只需一个时钟周期,读/写时的建立和保持时间为0,不需要延时。该模块对HDL任务逻辑和寄存器组进行例化和封装[11],使其信号类型符合Avalon总线信号规范和外设模块的信号规范。

2.3 IP核硬件构建及设置

本研究所设计的PWM加减速IP核是通过SOPC Builder提供的IP核生成向导,按照图形界面提供的选型进行配置得到的[12]。其具体构建如下:

本研究在Quartus Ⅱ中设计PWM加减速的Verilog HDL程序代码(即任务逻辑模块),并编译、仿真(如图3所示),然后在SOPC Builder中的IP核生成向导中添加该程序代码。新建的IP核应包括描述文件Class.ptf和cb_generator.pl、用户存放硬件描述文件的hdl_synthesis文件及用来包含HAL软件文件的HAL文件夹[13]。

其中,在Signals标签页面中,显示的是所有之前导入的顶层硬件代码中使用的I/O信号,所有这些信号都需要映射到有效的Avalon信号类型。组件编辑器自动填充在顶层HDL源文件中找到的信号细节,如果一个信号名与一个Avalon总线类型相同,则组件编辑器可以自动指定信号类型,否则将其设置为export类型,此时需要设计者针对具体设计指定信号类型。组件中使用信号的指定类型具体配置如图4所示。

由于所设计的IP核直接在Nios Ⅱ IDE环境下进行软件编写,不需要提供组件的驱动,所以不需要软件文件的导入。最终创建的IP核系统配置图如图5所示,其中在System Contents标签下,用户新建的User_IP分组下出现了所创建的命名为PWM_Speedup的PWM加减速IP核。

3 仿真调试与结果分析

仿真过程是在Quartus Ⅱ中完成的。当输入mode为01时,对应的启动频率为mode_50 Hz,即50 Hz;加速度speedup设置为1 000,加速度计数累加器speedup_limit的值设定为480 000,即加速到1.25 kHz。其仿真图如图6(a)所示,输出PWM信号的频率从50 Hz加速到1.25 kHz停止,加速完成的同时输出使能信号ena由0变为1,使能输出PWM恒速模块。

当输入mode为10时,对应的启动频率为mode_100 Hz,即100 Hz;加速度speedup设置为2 000,加速度计数累加器speedup_limit的值设定为230 000,即加速到1.25 kHz。仿真图如图6(b)所示,完成PWM信号从100 Hz加速到1.25 kHz的工作频率,然后通过使能ena信号调用下一PWM信号恒速模块。

当需要从恒速模块减速至低频率后停止时,只需要对加速模块的分频计数参数进行设置即可。

下载调试是在Altera公司cyclone系列EP1C12Q240C8的FPGA开发板上进行的,采用的是86BYG450型号的步进电机和DM808驱动器。通过硬件电路的配置和Nios Ⅱ IDE中软件程序的编写,最终调试结果表明,步进电机能平稳地从低速加速至设定的工作频率以及减速至较低频率停止。

4 结束语

本研究对基于SOPC的步进电机加减速PWM控制器IP核进行了初步设计,并经过实验仿真和调试。实验结果表明,该IP核结合Nios Ⅱ系统强大的可扩展性,能够实现步进电机控制的启动加速和停止减速的控制环节,并且电机工作稳定,达到了预期设计目的。同时,在调用该IP核时,通过对启动频率参数、加速度和加速计数累加器值的设定,即可满足不同频率的PWM信号输出,具有很好的通用性,有效地缩短了开发时间,有利于模块的重复利用。

减速控制 篇7

步进电机运行的平稳性是步进电机控制首先应考虑的性能。某些精密的光学仪器,如体积显示系统、头盔检测仪、激光器等,对步进电机运行的平稳性要求较高,即步进电机需在不失步的情况下平稳地启动,且能在不产生过冲的情况下平稳地停止[1,2,3]。此外,噪声也是需要考虑的问题。通常情况下,噪声应尽量地小。从控制方面来说,影响步进电机运行平稳性和噪声的因素有以下两方面:步进电机的加减速曲线及步进电机的控制方案[4]。

常用的步进电机加减速曲线包括线形加减速曲线、指数形加减速曲线及S型加减速曲线。在线形加减速曲线中,步进电机的角速度是随时间线性增大的。加减速阶段的起点和终点处均有加速度突变,存在柔性冲击,系统运行平稳性较差,启动阶段噪声大。指数形加减速曲线是在假定步进电机的输出转矩与角速度呈线性关系且负载恒定的基础上导出的。同样地,加速阶段的起点和减速阶段的终点处存在加速度突变,具有柔性冲击,平稳性稍有欠缺,启动时存在较大噪声。S型加减速曲线本质上是分段指数形曲线,与前两种曲线相比更符合实际运行情况,在其整个运行阶段,加速度连续无突变,系统运行平稳性较好[4,5,6,7,8,9]。

文献[7,8,9]采用的步进电机控制方法是将加减速曲线离散成有限个频率段,计算出相应的定时常数及步数并存储在存储器中。系统运行时利用查表法从存储器中调用对应的定时常数,从而节省运算时间,提高系统的响应速度。这种方法操作起来很方便,实时性要求不高,但其主要缺点是在加减速过程中,速度过渡不够平滑,不利于系统的平稳运行以及噪声的减小。

本文从以上两方面出发,通过角加速度和角速度的关系曲线构造出不产生柔性冲击的加减速曲线,并提出了步进电机的实时控制方案。

1 加减速曲线的构造

以加速曲线为例,具体构造过程如下:

在加速阶段,为了不产生柔性冲击,步进电机的加速曲线必须满足以下三个条件:①加速度连续无突变;②启动时,加速度趋于零,即ω→0时,a→0;③当加速到系统要求的最大速度时,加速度趋于零,即当ω=ωmax时,a→0。此外,任何加速曲线都必须满足系统的动力学方程:

$Ja=J\frac{\text{d}\omega }{\text{d}t}\le \eta {\rm T}{}_{\text{m}}-{\rm T}{}_{\text{z}}$ (1)

式中,J为折算到电机输出轴上的负载转动惯量;a为步进电机的角加速度;ω为角速度;t为时间;Tm为步进电机的电磁转矩;Tz为各种阻尼矩之和;η为安全系数。

理论上来说,符合以上条件的加速曲线有无穷多种。下面通过a-ω方程,分别构造S型、e/e型及Cos型加速曲线。

1.1 S型加速曲线

如图1a所示,a-ω曲线由三段直线组成,每段直线的方程可表示为[4,9]

其中,k1、k2为待定系数。amax为最大角加速度,可由式(1)或参照图1b确定。ωmax由具体的系统技术要求确定。

分段解式(2)得:

1.2 e/e型加速曲线

如图2a所示,e/e型加速曲线的a-ω方程可表示为

$a=\frac{\text{d}\omega }{\text{d}t}=\frac{4a{}_{\max }}{\omega {}_{\max }^2}[\omega (\omega {}_{\max }-\omega )]0＜\omega ＜\omega {}_{\max }(4)$

解式(4)得:

$\omega =\frac{\omega {}_{\max }\text{e}{}^{\epsilon (t-c)}}{1+\text{e}{}^{\epsilon (t-c)}}$ (5)

其中,$\epsilon =\frac{4a{}_{\max }}{\omega {}_{\max }},a{}_{\max }$可由式(1)或参照图2b确定,ωmax由具体的系统技术要求确定。c为常数,推荐选取$c\approx \frac{t{}_{\text{a}\text{c}\text{c}}}{2},t{}_{\text{a}\text{c}\text{c}}$表示步进电机加速到ωmax所需的时间。同理可得减速曲线。e/e型加减速曲线如图3所示,图中tcon表示匀速运动的时间,tdec表示减速时间。

根据式(5),只有在无穷远处,即tacc→∞,角速度才能达到ωmax。实际应用过程中是通过改变脉冲频率f来控制步进电机角速度ω的大小的,而f是阶梯式递增的。当f与fmax相差很小时,可以使f跃升到fmax,从而使角速度ω达到ωmax,因此tacc是有限的并且可以进行适当的调节。

1.3 Cos型加速曲线

如图4a所示,Cos型加速曲线的a-ω方程为

$(\frac{a}{a{}_{\max }}){}^2+(\frac{2\omega -\omega {}_{\max }}{\omega {}_{\max }}){}^2=10＜\omega \le \omega {}_{\max }$ (6)

根据初始条件:t=0时ω=0,解式(4)得:

$\omega =\frac{\omega {}_{\max }}{2}[1-\cos (\frac{2a{}_{\max }}{\omega {}_{\max }}t)]$ (7)

其中,$\frac{2a{}_{\max }}{\omega {}_{\max }}t\in [0,\text{π}],a{}_{\max }$可由式(1)或参照图4b确定,ωmax由具体的系统技术要求确定。由加速曲线可推导出减速曲线,Cos型加减速曲线如图5所示。

2 实时控制方案

步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。如果在步进电机加减速过程中,每走一步,脉冲频率相应地改变一次,那么,相比离散化控制方案,步进电机速度过渡的平滑性将得到极大的改善,非常有利于系统的平稳运行,同时也能起到降低噪声的效果。

在整个加减速过程中,步进电机所走的总步数是个很大的数,需要较大容量的存储器才能存储所有步数所对应的脉冲频率定时常数。为了节省存储资源,实时地计算每步所对应的定时常数是一个较为可行的办法,即控制器能够在发送两个脉冲之间的时间内,实时地完成定时常数的计算并将其装载入定时器。

为了完成实时计算,除了控制器需具有很高的指令执行速度以及浮点运算能力外,简化加减速曲线运算方式也是必要的。式(3)、式(5)和式(7)都是较复杂的方程,不利于实时控制,为了节约运算时间,必须简化计算。

如图6所示,步进电机运行到第i步所需的时间为ti,对应的角速度为ωi。在Δti时间内,步进电机前进一步,角速度由ωi增大至ωi+1。若步进电机每步所走的角度,也就是脉冲当量为δ,可知δ即为图中阴影部分的面积。设步进电机第i步所对应的角加速度为ai,则ai=ω′i=tan φi,采用一阶近似,将第i步内的角加速度ai视为定值[10,11],则有

当然,式(8)中的Δti也可以转换为脉冲频率f,则式(8)可以相应地写成

$\begin{array}{l}\delta =\omega {}_i/f\\ \omega {}_{i+1}=\omega {}_i+a{}_i/f\end{array}\}$

除了减小运算量外,采用迭代公式的另一个优势是无需根据a-ω方程来求解具体的加减速曲线(即ω-t曲线)。当已知a-ω方程,但很难求得ω-t函数关系式时,迭代法不失为一个明智的方法。

根据式(2)、式(4)、式(6),结合式(8)可得S型加速曲线的迭代公式:

e/e型加速曲线的迭代公式为

Cos型加速曲线的迭代公式为

3 应用实例

系统的各项参数如表1所示,选用的是一款两相混合式步进电机(北京斯达特),型号为34HS300DZ。根据厂家提供的数据,绘制其矩频特性曲线,如图7所示。

结合步进电机的矩频曲线,取ηTm=2.3N·m,根据式(1)得

$a{}_{\max }=\frac{\eta {\rm T}{}_{\text{m}}-{\rm T}{}_{\text{z}}}{J}=1.0081\text{r}\text{a}\text{d}/\text{s}{}^2$

采用Cos型加减速曲线,依据式(6)绘制Ja-ω曲线,如图7所示。可以看出,整个加速过程均满足系统的动力学方程。将amax和ωmax代入式(6)得,a-ω方程为

$(\frac{a}{1.0081}){}^2+(\frac{\omega -5\text{π}}{5\text{π}}){}^2=1$

由于步距角为1.8°,采用20细分驱动,则脉冲当量δ=π/2000。最后依据以上参数并参照式(11)编写迭代程序。

系统选用的控制芯片是一款适合于工业控制领域的定点DSP——TMS320F2812,其指令执行速度高达150MIPS。编写程序时采用了IQmath数据格式以提高F2812的浮点运算性能,满足实时控制的要求(Δt的最小值为50μs,也就是说F2812必须在50μs内完成迭代计算,并将其脉冲频率所对应的定时常数装载入定时器)。

若设加速迭代初值为Δt0=0.05s,ω0=π/100rad/s,迭代终值为Δtm=50μs或ωm=10πrad/s,则在整个加速过程中,步进电机总共运行了489 485步,若不采用实时计算,相应的定时常数将占用约956kB的容量。当然,随着最高转速的提高,驱动细分数的增大,将占用更多的存储资源。如果外部存储器的容量较大,可先行计算好每步的定时常数,以节省控制芯片的运算资源;如果没有外部存储器或者外部存储器容量有限,则应采用实时计算的方式。

4 噪声实验

利用噪声仪(香港希玛AR824)分别测量采用以下三组驱动方案的同一步进电机系统加速阶段的噪声:①线形加速曲线离散化控制法;②Cos型加速曲线实时控制法;③e/e型加速曲线实时控制法。调整三种驱动方案的参数,使其加速时间约为50s,计算机每秒接收一个来自于数据采集卡的噪声数据,实验原理如图8所示,实验装置如图9所示,实验结果如图10及表2所示。

dBA

分析图10及表2可知:

(1)与驱动方案1相比,采用方案2和方案3的步进电机系统前5s噪声均值分别减小12.8dBA和15.8dBA,前10s噪声均值分别减小8.6dBA和12.7dBA,间接反映了采用方案2和方案3的步进电机系统启动过程更加平稳。

(2)由于加减速曲线的对称性,因此停止过程同样较为平稳。

(3)在加速过程的后半段,采用驱动方案2和方案3的步进电机系统噪声波动幅度小于方案1,从侧面反映了系统运行的平稳性更好。

(4)采用不同驱动方案的系统最大噪声差别不大。通常情况下,最大噪声是由共振引起的,因此可以认为加减速曲线与共振无关。

5 结论

(1)通过a-ω方程可构造S型、e/e型及Cos型等不产生柔性冲击步进电机加减速曲线。

(2)改善了步进电机的速度过渡的平滑性,即步进电机每走一步,控制器相应地改变一次脉冲频率。

(3)迭代算法能简化计算,提高控制器的运算速度,可采用实时计算的方式节省存储资源。

(4)噪声实验结果表明,采用Cos型加减速曲线和实时控制方案能很好地满足系统对平稳性的要求,与线形离散化驱动方案相比,启动过程噪声明显减小。

摘要：基于步进电机的加减速曲线和控制方案两方面对步进电机的运行平稳性及噪声进行了分析和研究。首先通过角加速度和角速度的关系式(a-ω方程)构造出不产生柔性冲击的S型、e/e型及Cos型步进电机加减速曲线;其次优化步进电机控制方案,包括改善步进电机速度过渡的平滑性,运用迭代算法简化计算以提高控制器的运算速度,采用实时计算的方式节省存储资源。噪声实验结果表明,与传统的驱动方案相比,采用Cos型加减速曲线和实时控制方案的步进电机系统运行平稳,启动过程噪声明显减小。

关键词：步进电机,加减速曲线,迭代算法,实时控制,噪声

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