刘  颖，王志刚，王红，张素伟
                                                   (河北工业大学，天津300401)
      摘要：通过分析步进电机在升降频时发生失步、过冲等现象的原因，以及传统升降频曲线中存在的不足，结合步进电机的矩频特性提出了一种能保证电机在升降频阶段稳定工作的s形曲线升降频算法，并结合工程应用的特点对该算法进行了优化。文中以船载仪表系统为例介绍了该优化算法的应用方法：实验结果表明：该优化算法不仅提高了步进电机的运行稳定度，同时对电机的启动效率也有了很大改进。目前该算法已成功应用于散货船的仪表系统中。
　　关键词：步进电机；升降频；s形曲线
      中图分类号：TM383 6    文献标志码：A    文章编号：1001—6848(2010)08一0093一02
0引 言

    在步进电机驱动器的设计中，步进电机的升降频设计是关键：升降频设计的核心是实现电机的快速、准确定位，即在避免电机发生失步、过冲和震动等现象的情况下，以最快的速度运行到指定的位置。然而由步进电机典型的矩频特性曲线图知，步进电机无论采用何种驱动电路，在驱动脉冲频率较低时，输出转矩较大且力矩值比较稳定，但随着驱动频率的上升，电机的输出转矩则会随之逐渐降低。步进电机的升降频设计就是要寻求一种与电机矩频特性相适应的速度控制方案，以保证电机在不产生失步和过冲的情况下尽快达到****运行频率。常见的步进电机升降频曲线有：梯形曲线、抛物曲线和指数曲线等。
　　步进电机的工作特点是：电机启动初期，其静态惯量比较大，需以较小的加速度升频；而当步进电机停止时，由于输出转矩已大幅降低，若加速度比较大就容易发生过冲：综合以上各个方面考虑，为了保证电机的稳定、准确肩停，在加速曲线的起始和结束时都要以较低的速度运行。但是，前述的三种方式在启动或减速结束时都存在不同程度的加速度突变，容易产出失步或过冲现象，不利于步进电机的控制，而按图l所示的s形曲线考虑了以上因素，在启停阶段加速比较缓慢，在加减速曲线的中间部分加速度义比较大，这样的设计，既能够保证电机的稳定工作，又能在允许的范围内****程度的提高电机的控制效率，凶此按s形曲线对步进电机进行升降频控制是优于其它几种曲线的一种****方案{1}
1步进电机S形曲线升降速规律
   下面对电机的力矩特性进行分析。首先，定义以下变量：w为转子的机械角速度；Tc。电机的电磁转矩；J为电机的转动惯量；T为电机的输出转矩；tl为负载转矩；tf为电机的阻力　　矩；虽然和均不是解析函数，但是根据步进电机的特点，在一般的工程应用中完全可以近似的把他们看做的线性函数，其中负载转矩Tl=jw，阻力矩T可设为Tf=B一(B，为转矩常数)。

2 s形曲线算法的改进

3 S形改进算法的应用
下面介绍上述方法在船载仪表系统中的应用{4}。该系统中采用x25 589型步进电机，对应的驱动芯片为x12.017：X25．589型步进电机的****启动频率为225 Hz，运行的****频率可达600Hz以上，因此选定电机启动频率为200Hz，****频率选为600Hz{5}。根据s形曲线算法，将200～600 Hz分为相等的两部分，对其中的400～600 Hz频率段应用式(7)和式(9)，得到加速曲线，进行相应的坐标变换后即可得到另外一部分曲线，从而得到完整的步进电机加速曲线，对初级和末级的加速时间进行改进后，得到图3所示的加速曲线。
　　由步进电机的矩频特性曲线可知，在分级加速过程中，由于电机在频率低时输出转矩比较大的特点，为了加速电机的启动，前级加速的频率跨度可以比后级适当增大，结合X25 589型步进电机的矩频特性，本例中采用{200～300，300～375，375～450．450～500．500～550，550～600}的6级加速{5}在本例中取K1=O.0909，N=0 045 s将Kl和　　

4结语

    本文算法既弥补了其它加速曲线存在的不足，又克服了现有的其它S形曲线升降频算法要么算法复杂，要么作用不明显的缺点。经上述分析可知，在不失步和不过冲的条件下，采用S形加速算法只需要89 1 ms就能完成200 Hz～600 Hz的加速过程，而采用梯形算法达到上述的稳定程度至少需要120 1~1S c因此，本文提出的S型曲线优化算法不仅提高了电机升降频的稳定度，同时对电机的启停效率也有了很大改进。目前该算法已成功应用于散货船的仪表系统中{6}。