蘆 寧

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)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(guān)的技術(shù)飛速發(fā)展,其中,船舶機(jī)艙自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)在功能上也更趨完善和人性化,比如,在主機(jī)遙控中的車鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,為避免操作部位在側(cè)翼與駕駛室之間切換過程中,車令的不同引起主機(jī)轉(zhuǎn)速的驟然變化,對(duì)具有側(cè)翼操作功能的系統(tǒng)添加了隨動(dòng)功能,達(dá)到了很好的效果。

1 執(zhí)行元件的選型

根據(jù)隨動(dòng)系統(tǒng)要求精確控制的特點(diǎn),步進(jìn)電機(jī)及伺服電機(jī)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(jī)過高的成本阻礙了它的廣泛應(yīng)用。目前,在國內(nèi)數(shù)字控制系統(tǒng)中,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更為廣泛。

1.1 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的機(jī)電執(zhí)行元件,嚴(yán)格地說,它是一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件[1],具有以下特點(diǎn):

1.可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制,整個(gè)系統(tǒng)簡單、價(jià)廉;

2.位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng),步距誤差不長期積累,可以組成結(jié)構(gòu)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(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng);

3.無刷,電動(dòng)機(jī)本體部件小,可靠性高;

4.具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、易于起停、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn);

5.停止時(shí),可有自鎖能力。

正由于步進(jìn)電機(jī)具有的這種結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便、與數(shù)字設(shè)備兼容、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),其被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域[2]。

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

2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)

選擇和使用步進(jìn)電機(jī),要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(guān)于步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)的說明請(qǐng)參考步進(jìn)電機(jī)相關(guān)資料):①步進(jìn)角;②矩角特性;③最大靜止轉(zhuǎn)矩;④最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;⑤保持轉(zhuǎn)矩;⑥最大啟動(dòng)頻率和啟動(dòng)時(shí)的慣頻特性;⑦矩頻特性;⑧最大連續(xù)響應(yīng)頻率。

根據(jù)車鐘機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),從步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角,系統(tǒng)所能允許的最小位移誤差,步進(jìn)電機(jī)各轉(zhuǎn)矩指標(biāo),步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率等方面綜合考慮,選定北京信達(dá)恒科貿(mào)有限公司的AM2224型號(hào)步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)及控制技術(shù)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(shí)現(xiàn)按鍵輸入、OLED屏幕顯示、蜂鳴器報(bào)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(duì)照CAN網(wǎng)絡(luò)接收到的目標(biāo)車鐘擋位數(shù)據(jù)信息,在滿足相應(yīng)條件時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的步數(shù),令本車鐘擋位與目標(biāo)車鐘擋位相同,實(shí)現(xiàn)擋位隨動(dòng)功能。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)共有2路,分別是:步進(jìn)脈沖信號(hào) CP;方向電平信號(hào) DIR。2路信號(hào)均由MCU的GPIO控制CD4050緩沖器IC的兩輸出引腳實(shí)現(xiàn),MCU只需按所需工作頻率向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出步進(jìn)脈沖信號(hào),即可以控制步進(jìn)電機(jī)按照工作頻率工作。當(dāng)方向電平信號(hào)為高電平時(shí),步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn);當(dāng)方向電平信號(hào)為低電平時(shí),步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

在這種控制簡單而又要求成本低的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,步進(jìn)電機(jī)最大的優(yōu)勢是:可以開環(huán)方式控制而不需反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制,但也正是因?yàn)樨?fù)載位置對(duì)控制電路沒有反饋,步進(jìn)電機(jī)就必須正確響應(yīng)每次脈沖命令[5]。圖2為所選步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線,可以看出其特性較軟,電磁轉(zhuǎn)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(shí),步進(jìn)電機(jī)在脈沖轉(zhuǎn)換時(shí)很容易引起丟步或過沖,使得步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能變差,這樣所控制的機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)精度就很低。因此,步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行的關(guān)鍵。丟步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止的時(shí)候。

車鐘的擋位隨動(dòng)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(yīng)急操作情況下(如緊急換向)的快速響應(yīng),極限情況下,隨動(dòng)過程須在4 s內(nèi)完成,步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速需達(dá)到450 r/min。為了保證步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定達(dá)到連續(xù)轉(zhuǎn)速而不丟步,啟動(dòng)時(shí)必須使步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,同時(shí)要保證步進(jìn)脈沖一定的寬度,頻率不能太高;同樣,在到達(dá)預(yù)定位置時(shí),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(jī)械設(shè)備的慣性作用,電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)就尤其重要。將步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線

圖3 步進(jìn)電機(jī)矩頻特性近似曲線

3.3 升降速曲線的設(shè)計(jì)分析

式中:Te為步進(jìn)電機(jī)工作在頻率f時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩;Ts為步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩;f c為步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率;Tc為頻率fc時(shí)對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

式(2)中,Tl、ωr、J、Pn分別為步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載阻力矩、機(jī)械角速度、軸聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、繞組級(jí)對(duì)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(dòng)時(shí)的跳變頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率;t1為啟動(dòng)時(shí)的升速時(shí)間;t2到t3為停止過程的減速時(shí)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(jìn)電機(jī)的時(shí)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(jìn)電機(jī)升降速曲線圖

圖5 升速曲線臺(tái)階擬合法原理圖

3.3.1 臺(tái)階擬合法

臺(tái)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(dá)到比較高的頻率。這種方法程序設(shè)計(jì)簡單,但是擬合稍粗糙,擬合效率低,適合對(duì)加速時(shí)間要求不苛刻、負(fù)載力矩較小、升降速不頻繁且工作頻率較低的步進(jìn)電機(jī)[4]。升速過程中,剛開始頻率跳躍可以比較大,每一個(gè)頻率段持續(xù)時(shí)間較短。隨著頻率的升高,頻率跳躍逐漸減小,每一個(gè)頻率段持續(xù)時(shí)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(shè)計(jì)上相對(duì)復(fù)雜,占用系統(tǒng)資源較多,擬合精確,擬合效率較高,適合負(fù)載力矩要求高、對(duì)升速時(shí)間要求短的系統(tǒng)[4]。在升速過程中,開始升速時(shí),升速直線斜率較大、持續(xù)時(shí)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(shí)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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行大量的試驗(yàn)和比較記錄。利用多條直線對(duì)升速曲線進(jìn)行精確擬合,并且根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的最終工作頻率,升降速時(shí)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(jìn)電機(jī)時(shí)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?cái)M合步進(jìn)電機(jī)的升速曲線,最大程度發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的性能,但是編制程序比較復(fù)雜,占用系統(tǒng)資源多,適合在步進(jìn)電機(jī)的工作條件經(jīng)常變化的場合下使用。

在步進(jìn)電機(jī)降速曲線的設(shè)計(jì)時(shí),也同樣有這些方法。由于在步進(jìn)電機(jī)降速過程中,步進(jìn)電機(jī)力矩增大,所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(duì)稱。在降速過程中,只要保證電機(jī)不超步即可,步進(jìn)脈沖頻率下降的斜率可大些。以上幾種方法相比較,臺(tái)階擬合比較簡單,也比較容易做到步進(jìn)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)降速。在使用臺(tái)階法編制降速曲線時(shí),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(dòng)功能對(duì)速度要求的特點(diǎn)與MCU控制模塊的資源限制,步進(jìn)電機(jī)控制升降速曲線的設(shè)計(jì)就使用臺(tái)階擬合方法。

圖8 升降速曲線臺(tái)階擬合軟件流程圖

4 實(shí)現(xiàn)方法

升降速曲線的臺(tái)階擬合的實(shí)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(shí)現(xiàn),脈沖產(chǎn)生的精度由硬件定時(shí)器控制,脈沖頻率的改變是通過改變定時(shí)常數(shù)實(shí)現(xiàn)的。通過對(duì)本車鐘系統(tǒng)的計(jì)算與多次測試,升速階段采用5臺(tái)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(duì)應(yīng)時(shí)間分別為50 ms,100 ms,200 ms,300 ms,加速總時(shí)間為650 ms,180 Hz為穩(wěn)定運(yùn)行頻率。

降速曲線的實(shí)現(xiàn)原理與升速曲線相同,臺(tái)階較少,頻率跳躍較大,即軟件中時(shí)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(shí)間分別為200 ms,100 ms,降速過程中無過沖現(xiàn)象,效果較好。實(shí)現(xiàn)升降速曲線臺(tái)階擬合軟件流程如圖8所示。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)車鐘隨動(dòng)特點(diǎn)說明了選用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的原因與優(yōu)點(diǎn),在分析步進(jìn)電機(jī)加減速控制規(guī)律、實(shí)際系統(tǒng)需求基礎(chǔ)上,結(jié)合步進(jìn)電機(jī)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(diǎn),實(shí)現(xiàn)了臺(tái)階擬合指數(shù)曲線的方法。實(shí)驗(yàn)證明,該方法在車鐘隨動(dòng)過程中表現(xiàn)較好,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,具有一定的理論意義及工程應(yīng)用參考價(jià)值。

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