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高效的步進電機控制算法

发布时间:2017-10-31 22:03:00 点击:    

 
 

無錫伯頓起重電機 在對基于步進電機的運動控制系統設計進行優化的過程中,工程師必須綜合考慮成本、性能、效率、未預料到的反饋難題(如機械共振)以及開發時間等因素。現代的電機控制系統面臨著在多種不利環境中工作的難題,而傳統解決方案的總效率通常受限于整個系統所遇到的較壞情況。自適應控制算法對于提取出經過優化的機電系統的較大效率而言是必不可少的。

系統映射

如果希望得到較高效率,就必須對整個機電系統的邊界條件進行映射。所有的系統變量都必須考慮到:溫度、機械降解、加速度、速度、電源電壓等等。系統架構也會對其産生影響。

在開環系統中,通常需要以較壞情況下的電流驅動和速度曲線來激勵電機,所以我們可以認爲效率並不是這類系統的首要設計目標。這種類型的測試非常耗費時間,因爲必須在電機可能使用的所有電源電壓、溫度和速度值下對系統進行驗證,以盡量減小出現共振的風險。每個步進電機系統都存在發生共振的可能,這通常是因爲工作在(或接近于)電機的自然頻率而造成的。避開這些區域是至關重要的,因爲共振可能會造成電機丟步或進入失速狀態。不過,對于開環系統而言,確定這些區域可能是非常困難的。

閉環控制通常采用以下兩種形式:基于傳感器的系統(光或是霍爾效應)和無傳感器的系統。無傳感器的系統也稱爲“半閉環系統”,通常使用由電機線圈所産生的電壓來作爲反饋。基于傳感器的控制系統使用得很廣泛,但是在映射實踐中必須考慮傳感器的其他變化。無傳感器的系統的一項主要優勢在于,它只需要讀取與電機的物理運動有關的信息。它的另一項重要的優勢是降低了閉環或半閉環系統的系統成本,同時,由于不需要外部傳感器,也降低了系統的複雜度。成功的設計需要理解反電動勢的特性。

SLA映射

反電動勢可以方便地提取出與機電系統的運動有關的詳細信息,並提供診斷數據。在電機的驅動電流脈沖之間,電機線圈運動經過電機磁場時,就會産生電壓。這一信息通常被稱爲電機的速度和/或負荷角(SLA)。可以通過監視反電動勢的幅度來很好地近似步進電機的角速度。

圖1給出了使用AMIS-30522細分步進電機控制器驅動安裝在機械系統中的傳統步進電機時SLA引腳的映射。這一信息是在對NXT輸入(確定電機激勵速度的時鍾輸入)進行掃頻的過程中收集的。隨著它從左向右移動,激勵的頻率升高,可以清晰地看到不同的工作區域。測量整個系統的電機特性的能力是AMIS-305xx系列所具有的一種非常強大的特性——特別是它能夠處理傳統的設計難題,而在此之前,系統設計人員只分析電機的共振性能,而沒有認識到一旦整個機械裝置放在一起之後這些區域可能會發生變化。

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图1 对NXT引脚扫频的同时监视SLA引脚

電機控制系統可以不斷地對SLA電壓進行采樣,如果遇到異常情況,就可以采取適當的措施。因爲反電動勢正比于轉子的旋轉速度,所以可以方便地用于感應輸出軸上的外部負載,並調節供應給電機的電流。取自SLA引腳的數據大有作爲的另一個領域是當電機將要進入共振區域的時候。通過設計一種算法來快速地識別出這種情況,步進電機控制系統就可以立即加速通過這一區域,到達新的安全速度。

圖1左側的紅色方塊突出顯示了系統中的共振。這可能是因爲電機的實際安裝,在步進台階之間的電機共振基頻,或者其他二階因素。這些通常是需要避開的換向速度區域,如果采用安森美半導體的反電動勢技術,可以方便地在數分鍾之內得到映射。這將有助于減少機電系統的壓力。這之所以重要,是因爲系統壓力可能會造成噪聲增大,性能下降,並可能造成系統可靠性降低。這種數據收集方法的亮點在于,不需要對系統進行物理更改就能完成映射過程。唯一的傳感器就是電機本身,所以不會額外增加機械複雜度。

圖1右側的紅色方塊表示電流驅動超出系統的RLC時間常數的區域,從而導致了電機線圈上的殘余電流。它是這種特定的機電系統的“速度限制”。

在這兩塊區域之間的就是推薦的電機工作區域。還應該注意到,相同的映射還可用于識別電機無法換向(從而無法産生反電動勢)的失速情況。在系統控制器中,只需要通過配置電機激勵之間的較低阈值就能夠控制這種情況。

在設計中使用映射數據

一旦完成了映射並且知道了理想的速度曲線,就可以選擇較佳的SLA取值。對于給定系統而言,它將代表效率較高的工作點。可以通過動態地調節電機控制變量,如電流驅動、加速度和速度,以避免出現會損害效率的問題,如機械共振和過大的驅動電流。無傳感器/反電動勢方法的優勢在于,來自傳感器的反饋不是簡單的二元信息,而是可以用于從電機獲得詳細的診斷信息,而且不會額外增加系統的複雜度,就又使得我們能夠使用SLA的細微變化來進行實時補償,從而避免丟步。

 
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