蘆 寧

(上海船舶運輸科學研究所研究開發(fā)中心,上海200135)

0 引 言

隨著世界造船業(yè)的興盛,近些年與船舶相關的技術飛速發(fā)展,其中,船舶機艙自動化設備的設計在功能上也更趨完善和人性化,比如,在主機遙控中的車鐘系統(tǒng)的設計上,為避免操作部位在側翼與駕駛室之間切換過程中,車令的不同引起主機轉速的驟然變化,對具有側翼操作功能的系統(tǒng)添加了隨動功能,達到了很好的效果。

1 執(zhí)行元件的選型

根據(jù)隨動系統(tǒng)要求精確控制的特點,步進電機及伺服電機都能適合其需求,雖然后者在性能上要優(yōu)于前者,但伺服電機過高的成本阻礙了它的廣泛應用。目前,在國內(nèi)數(shù)字控制系統(tǒng)中,步進電機的應用更為廣泛。

1.1 步進電機的技術特點

步進電機是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉換成機械角位移的機電執(zhí)行元件,嚴格地說,它是一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件[1],具有以下特點:

1.可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制,整個系統(tǒng)簡單、價廉;

2.位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應,步距誤差不長期積累,可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng),也可以在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng);

3.無刷,電動機本體部件小,可靠性高;

4.具有轉矩大、慣性小、易于起停、響應頻率高等優(yōu)點;

5.停止時,可有自鎖能力。

正由于步進電機具有的這種結構簡單、運行可靠、控制方便、與數(shù)字設備兼容、價格便宜等優(yōu)點,其被廣泛應用在數(shù)控機床、機器人、自動化儀表等領域[2]。

車鐘的隨動過程就是用執(zhí)行元件代替人手操作,推動車鐘手柄到特定擋位的過程。其要求執(zhí)行元件響應快速,定位準確,且車鐘采用數(shù)字化設計,采用MCU控制,從車鐘的體積、隨動特點、成本等多方面考慮,執(zhí)行元件選用步進電機是很好的選擇。

2.2 步進電機的主要參數(shù)

選擇和使用步進電機,要根據(jù)步進電機產(chǎn)品目錄上的重要參數(shù)特性來選擇,通常主要有以下參數(shù)(關于步進電機主要參數(shù)的說明請參考步進電機相關資料):①步進角;②矩角特性;③最大靜止轉矩;④最大啟動轉矩;⑤保持轉矩;⑥最大啟動頻率和啟動時的慣頻特性;⑦矩頻特性;⑧最大連續(xù)響應頻率。

根據(jù)車鐘機械結構的設計,從步進電機的步進角,系統(tǒng)所能允許的最小位移誤差,步進電機各轉矩指標,步進電機運行頻率等方面綜合考慮,選定北京信達恒科貿(mào)有限公司的AM2224型號步進電機并加配28∶1的行星齒減速箱。

圖1 車鐘系統(tǒng)硬件原理框圖

3 系統(tǒng)特點及控制技術分析

3.1 系統(tǒng)原理

車鐘系統(tǒng)的硬件原理如圖1所示。系統(tǒng)中MCU控制模塊通過系統(tǒng)總線與I/O模塊相連,實現(xiàn)按鍵輸入、OLED屏幕顯示、蜂鳴器報警等功能。MCU控制模塊通過檢測電位器輸出值確定自身擋位,并對照CAN網(wǎng)絡接收到的目標車鐘擋位數(shù)據(jù)信息,在滿足相應條件時控制步進電機轉動相應的步數(shù),令本車鐘擋位與目標車鐘擋位相同,實現(xiàn)擋位隨動功能。

步進電機驅動器的輸入信號共有2路,分別是:步進脈沖信號 CP;方向電平信號 DIR。2路信號均由MCU的GPIO控制CD4050緩沖器IC的兩輸出引腳實現(xiàn),MCU只需按所需工作頻率向驅動器發(fā)出步進脈沖信號,即可以控制步進電機按照工作頻率工作。當方向電平信號為高電平時,步進電機順時針旋轉;當方向電平信號為低電平時,步進電機逆時針旋轉。

3.2 系統(tǒng)特點

在這種控制簡單而又要求成本低的運動控制系統(tǒng)中,步進電機最大的優(yōu)勢是:可以開環(huán)方式控制而不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脈沖命令[5]。圖2為所選步進電機的矩頻特性曲線,可以看出其特性較軟,電磁轉矩隨輸入控制脈沖頻率的增加而減小,在速度較高或加速度較大時,步進電機在脈沖轉換時很容易引起丟步或過沖,使得步進電機的動態(tài)性能變差,這樣所控制的機械部件運動精度就很低。因此,步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)中,如何防止丟步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關鍵。丟步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進電機啟動和停止的時候。

車鐘的擋位隨動中,極限狀態(tài)是MAX.AH擋位與MAX.AS擋位之間的跨越。為提高系統(tǒng)在某些應急操作情況下(如緊急換向)的快速響應,極限情況下,隨動過程須在4 s內(nèi)完成,步進電機連續(xù)運行轉速需達到450 r/min。為了保證步進電機穩(wěn)定達到連續(xù)轉速而不丟步,啟動時必須使步進電機的輸出力矩大于負載轉矩,同時要保證步進脈沖一定的寬度,頻率不能太高;同樣,在到達預定位置時,若立即停止發(fā)送脈沖,令其立即停止,由于車鐘手柄、齒輪組等機械設備的慣性作用,電機轉子會轉過平衡位置產(chǎn)生過沖。因此,為了避免丟步和過沖現(xiàn)象,步進電機升降速曲線的設計就尤其重要。將步進電機的矩頻特性曲線近似為如圖3所示遞減曲線[3]。由該曲線得

圖2 步進電機矩頻特性曲線

圖3 步進電機矩頻特性近似曲線

3.3 升降速曲線的設計分析

式中:Te為步進電機工作在頻率f時的電磁轉矩;Ts為步進電機起動轉矩;f c為步進電機最高運行頻率;Tc為頻率fc時對應的電磁轉矩。

步進電機的運動學方程為

式(2)中,Tl、ωr、J、Pn分別為步進電機的負載阻力矩、機械角速度、軸聯(lián)轉動慣量、繞組級對數(shù)。將式(1)代入式(2)中得

由式(5)可看出,理想的升速曲線為指數(shù)曲線,如圖4所示。圖中,f s,f c分別為啟動時的跳變頻率和連續(xù)運行頻率;t1為啟動時的升速時間;t2到t3為停止過程的減速時間。由于通過程序編制這樣的曲線較為困難,所以在利用MCU控制步進電機的時候,一般通過各種方法擬合升降速曲線。升速曲線擬合常用的方法有以下3種。

圖4 步進電機升降速曲線圖

圖5 升速曲線臺階擬合法原理圖

3.3.1 臺階擬合法

臺階擬合的原理如圖5所示。方法是通過多段的頻率跳躍逐漸達到比較高的頻率。這種方法程序設計簡單,但是擬合稍粗糙,擬合效率低,適合對加速時間要求不苛刻、負載力矩較小、升降速不頻繁且工作頻率較低的步進電機[4]。升速過程中,剛開始頻率跳躍可以比較大,每一個頻率段持續(xù)時間較短。隨著頻率的升高,頻率跳躍逐漸減小,每一個頻率段持續(xù)時間逐漸延長,直至頻率升至工作頻率。

3.3.2 直線擬合法

直線擬合的原理如圖6所示。它的方法是通過幾段直線的頻率變化來擬合升速曲線。這種方法在程序設計上相對復雜,占用系統(tǒng)資源較多,擬合精確,擬合效率較高,適合負載力矩要求高、對升速時間要求短的系統(tǒng)[4]。在升速過程中,開始升速時,升速直線斜率較大、持續(xù)時間較短、頻率變化較大。隨著頻率的升高,升速直線的斜率逐漸減小、持續(xù)時間加長、頻率變化減小,直至升速到工作頻率。

圖6 升速曲線直線擬合法原理圖

圖7 升速曲線查表擬合法原理圖

3.3.3 查表法

查表法是一種擬合精度很高的升速曲線擬合方法,如圖7所示。在編制程序之前,需要對步進電機進行大量的試驗和比較記錄。利用多條直線對升速曲線進行精確擬合,并且根據(jù)步進電機的最終工作頻率,升降速時間長短和工作力矩的要求編制出多條不同的升速曲線[4]。在使用步進電機時根據(jù)不同的工作條件由程序或者硬件控制來選擇使用不同的升速曲線。這種方法能夠精確地擬合步進電機的升速曲線,最大程度發(fā)揮步進電機的性能,但是編制程序比較復雜,占用系統(tǒng)資源多,適合在步進電機的工作條件經(jīng)常變化的場合下使用。

在步進電機降速曲線的設計時,也同樣有這些方法。由于在步進電機降速過程中,步進電機力矩增大,所以對步進電機降速曲線的要求比升速曲線低一些,降速過程和升速過程并不對稱。在降速過程中,只要保證電機不超步即可,步進脈沖頻率下降的斜率可大些。以上幾種方法相比較,臺階擬合比較簡單,也比較容易做到步進電機在短時間內(nèi)降速。在使用臺階法編制降速曲線時,頻率跳躍可以比升速曲線大很多,一般可以是升速曲線頻率跳躍的2倍。

考慮到車鐘隨動功能對速度要求的特點與MCU控制模塊的資源限制,步進電機控制升降速曲線的設計就使用臺階擬合方法。

圖8 升降速曲線臺階擬合軟件流程圖

4 實現(xiàn)方法

升降速曲線的臺階擬合的實現(xiàn)是通過控制因特爾80C196KC微控制器產(chǎn)生的脈沖頻率的階躍變化來實現(xiàn),脈沖產(chǎn)生的精度由硬件定時器控制,脈沖頻率的改變是通過改變定時常數(shù)實現(xiàn)的。通過對本車鐘系統(tǒng)的計算與多次測試,升速階段采用5臺階的擬合方式,升速過程中未出現(xiàn)丟步現(xiàn)象,效果較好。各階段的頻率分別為40 Hz,100 Hz,140 Hz,170 Hz,180 Hz,對應時間分別為50 ms,100 ms,200 ms,300 ms,加速總時間為650 ms,180 Hz為穩(wěn)定運行頻率。

降速曲線的實現(xiàn)原理與升速曲線相同,臺階較少,頻率跳躍較大,即軟件中時間常數(shù)的變化更大,降速曲線選用100 Hz,40 Hz兩跳變頻率,持續(xù)時間分別為200 ms,100 ms,降速過程中無過沖現(xiàn)象,效果較好。實現(xiàn)升降速曲線臺階擬合軟件流程如圖8所示。

5 結 語

本文根據(jù)車鐘隨動特點說明了選用步進電機作為執(zhí)行元件的原因與優(yōu)點,在分析步進電機加減速控制規(guī)律、實際系統(tǒng)需求基礎上,結合步進電機的矩頻特性,分析利用指數(shù)曲線擬合的各種方法的優(yōu)缺點,實現(xiàn)了臺階擬合指數(shù)曲線的方法。實驗證明,該方法在車鐘隨動過程中表現(xiàn)較好,達到了設計要求,具有一定的理論意義及工程應用參考價值。

[1] 梅曉榕.自動控制元件及線路[M].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001.149-150.

[2] 李俊,李學全,胡德金.步進電機的運動控制系統(tǒng)及其應用[J].微特電機,2000(2):37-38.

[3] 李立凱,林青松,楊寧.步進電機在光電跟蹤照射系統(tǒng)中的優(yōu)化控制[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2009(2):54-55.

[4] 高亮.8051單片機對步進電機的控制及步進電機升降速曲線控制[J].測控技術,2002,21(11):64-65.

[5] 喻江波.反直升機智能雷達隨動系統(tǒng)的研究[D].南京理工大學碩士論文.2004.