【導讀】步進電機開環控制系統中，如何防止失步和過沖是開環控制系統能否正常運行的關鍵。所以能準確掌握步進電機升降速曲線控制方法也是不容小覷的。本文就為大家詳解。
在一些控制簡單或要求低成本的運動控制系統中，經常用步進電機做執行元件。步進電機在這種應用場合下最大的優勢是：可以開環方式控制而無需反饋就能對位置和速度進行控制。但也正是因為負載位置對控制電路沒有反饋，步進電機就必須正確響應每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置出現永久誤差，即發生失步現象或過沖現象。因此步進電機開環控制系統中，如何防止失步和過沖是開環控制系統能否正常運行的關鍵。
失步和過沖現象分別出現在步進電機啟動和停止的時候。一般情況下，系統的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。如果系統以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已超過極限啟動頻率而不能正常啟動，輕則可能發生丟步，重則根本不能啟動，產生堵轉。系統運行起來以后，如果達到終點時立即停止發送脈沖串，令其立即停止，則由于系統慣性作用，電機轉子會轉過平衡位置，如果負載的慣性很大，會使步進電機轉子轉到接近終點平衡位置的下一個平衡位置，并在該位置停下。
為了克服失步和過沖現象，應在步進電機啟停時進行如圖1所示的升降速控制。
從圖1可以看出，L2段為恒速運行，L1段為升頻，L3段為降頻，按照“失步”的定義，如果在L1及L3段上升及下降的控制頻率變化大于步進電機的響應頻率變化，步進電機就會失步，失步會導致步進電機停轉，經常會影響系統的正常工作，因此，在步進電機變速運行中，必須進行正確的升降速控制。
以下按不同的控制單元，介紹幾種常用的步進電機升降速控制方法。
1、運動控制卡作上位控制單元——以MPC01系列運動卡為例
MPC01系列運動控制卡可以作為PC機運動控制系統的核心控制單元。卡上的專用運動控制芯片可自動進行升降速計算。其運動控制函數庫中也有專門進行梯形升降速運動參數設置的函數——set_profile(intch,doublels,doublehs,doubleaccel)。其參數定義如下：
ch:設定的軸號。
ls:設定低速（起始速度）的值。單位為pps（脈沖/秒）
hs:設定高速（恒速段）的值。單位為pps（脈沖/秒）
accel：設定加速度大小。單位為ppss（脈沖/秒/秒）
用戶在調用運動指令函數時，只需指定總的脈沖數，運動控制卡上的專用運動控制芯片便按照set_profile函數設置的運動參數自動進行升降速計算，而不會占用PC機的CPU資源。
2、用具有運動控制功能的PLC做上位控制單元——以松下FP0系列PLC為例。
松下FP0系列PLC具有專用的運動控制指令，其CPU單元可自動進行圖1所示的升降速計算。和MPC01系列運動控制卡相似，用戶只需設置梯形速度的初速度ls、恒速hs、加速時間t和所需發的脈沖數P。運行此程序段，當PLC檢測到輸入端X2的一個上跳變時，便自動執行如圖1所示的升降速脈沖輸出功能。
3、用單片機做上位控制單元
采用微機對步進電機進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。采用定時器中斷方式控制電機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。
單片機在控制電機加減速的過程中，一般用離散方法逼近理想的升降速曲線。加減速的斜率在直線加速過程中，速度不是連續變化，而是按分檔階段變化，為與要求的升速斜率相逼近，必須確定每個臺階上的運行時間，見圖3。時間Δt越小，升速越快，反之越慢。Δt的大小可由理論或實驗確定，以升速最快而又不失步為原則。每個臺階的運行步數為為Ns=fsΔt=sΔN，反映了每個速度臺階運行步數與當前速度s之間的關系，程序執行過程中，每次速度升一檔，都要計算這個臺階應走的步數，然后以遞減方式檢查，當減至零時，該檔速度運行完畢，升入又一檔速度。
電機在升速過程中，對升速總步數進行遞減操作，當減至零時升速過程結束，轉入勻速運轉過程。減速過程的規律與升速過程相同，只是按相反的順序進行。在步進電機的啟停過程中，根據控制系統的具體特點，采用上述三種升降速控制方式之一，都可以避免電機失步或過沖，達到比較精確的控制。
