一种定量分析步进电机启动能力的方法与流程

本发明属于步进电机领域，尤其是涉及一种定量分析步进电机启动能力的方法。
背景技术：
：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。步进电机如果控制不当会造成失步问题，步进电机脉冲频率选择不合适，负载过大，功率开关管开关出现错误都是导致步进电机失步的原因。在启动方面，步进电机的启动能力与负载大小以及脉冲频率也有非常紧密的联系。以往的研究中主要是定性分析步进电机的启动能力，以及分析步进电机从静止启动时的启动能力。而对于定量分析以及动态启动能力研究较少。公开号为cn108667363a的中国专利文献公开了一种步进电机运动的控制方法及装置，其通过计算步进电机在空载工况和负载工况下的负载力矩判断步进电机能否启动，该判断方法主要考虑负载力矩的影响，用于分析步进电机从静止启动时的启动能力，却没有考虑步进电机在动态起动时受初始速度和初始位置的影响。目前对步进电机启动失步原因的定量分析方法很少，并且基本都从精细化建模角度出发，需要对步进电机系统进行复杂的建模仿真。目前，亟需一种能够简单有效的对步进电机启动能力的定量分析方法。技术实现要素：本发明提供了一种定量分析步进电机启动能力的方法，将初始速度和初始位置等效为等效负载转矩，从而可以利用静态矩频特性分析步进电机的动态启动性能。本发明的技术方案如下：一种定量分析步进电机启动能力的方法，包括以下步骤：(1)测试步进电机在不同启动频率下的最大静态启动转矩，并绘制电机的静态矩频特性曲线；(2)将步进电机转子在动态启动时受初始速度和初始位置的影响等效为初始速度等效负载转矩tl1和初始位置等效负载转矩tl2；(3)根据步进电机的实际初始运行状态与实际负载转矩tl，进一步求得在各个初始速度与初始位置状态下动态启动时的总等效静负载；(4)将总等效静负载与特定启动频率下最大静态启动转矩相比较，判断步进电机在该启动频率下能否正常启动。由于步进电机从保持阶段到再次启动时，启动瞬间转子可能会有初速度以及转子当前位置与平衡位置有一定角度差，不能直接用静态矩频特性分析动态启动性能。利用本发明，可以将初始速度和初始位置等效为等效负载转矩，从而可以利用静态矩频特性分析步进电机的动态启动性能。步骤(1)中，所述最大静态启动转矩通过实验获得，具体过程为：给步进电机通入指定启动频率的额定驱动，进行若干次初始速度、初始位置均为零的静止启动测试，每次静止启动过程中，逐渐增加电机的负载，确定在该启动频率下，步进电机能够带动的最大负载，记作最大静态启动转矩。步骤(2)中，分析步进电机转子在动态启动时受初始速度的影响时，假设此时转子初始位置与静止启动测试时初始位置相同(即平衡位置)，可以将速度对电机启动能力的影响等效为一个额外的负载转矩，将其称为初始速度等效负载转矩tl1。如果电机在该状态下能正常启动，那么在施加第一个脉冲后，转子从初始位置转到新的平衡位置的时间为t1，转过角度为θ，转子的速度从ω0变成ω1，由角动量守恒定律可知：而当步进电机静止状态启动时，施加第一个脉冲后，转子从初始位置转到平衡位置的时间为t1，转子的速度从0上升到ω1，则由角动量守恒定律可知：由上面两个公式可以得到近似认为δte为恒值，则初始速度等效负载转矩tl1可由下列公式求得：tl1＝δte＝-jω0/t1其中，j表示电机的转动惯量，ω0表示电子转子在初始位置的角速度，t1为转子从初始位置转到新的平衡位置的时间。转子的初始角速度会随转子的初始位置角而变化。如果转子在启动时刻正好反向通过平衡位置，则其具有最大的反向初始角速度，此时等效转矩分量最大，启动最困难。步进电机的初始位置也会影响其启动能力。首先，动态振荡幅值与该电机矩角特性的稳定区域相比很小，所以转子位置在下一个脉冲的牵引范围内。但是，转子位置回到平衡位置过程中，负载转矩对转子也会作功。这部分的影响也可以等效为一个额外的等效负载转矩，将其称为初始位置等效负载转矩tl2。所述初始位置等效负载转矩tl2的计算公式为：tl2＝tlθ0/θstep其中，tl为步进电机实际负载转矩，θ0为转子初始偏移平衡位置，θstep为电机一个步长对应的机械角度。步骤(3)中，所述步进电机实际负载转矩tl，即为电机静态启动时的负载转矩，其与电机启动频率和电机的转动惯量满足以下公式：其中，te表示电机的电磁转矩，j表示电机的转动惯量，ω表示电机的角速度。当步进电机从静止状态启动时，在一定的电磁转矩te的输出下，转子的角加速度dω/dt越大，启动的脉冲频率越大，负载能力越小。根据电机的实际负载转矩tl以及启动频率，可以进一步求得总等效静负载，计算公式为：t′l＝tl+tl1+tl2当动态启动初始位置为平衡位置时，转子初始偏移平衡位置θ0的值为0，求得tl2的值也为0，此时总等效静负载的计算公式为：t′l＝tl+tl1步骤(4)中，判断步进电机在该启动频率下能否正常启动的依据为：如果总等效静负载小于最大静态启动转矩，则电机可以正常启动；如果总等效静负载大于最大静态启动转矩，则电机会出现失步，不能正常启动。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明采用定量分析步进电机动态启动能力的方法，能够相对精确地判断步进电机在启动阶段是否会出现失步问题。相对于对步进电机系统精细化建模仿真来分析步进电机动态启动能力，本方法更为方便快捷。附图说明图1为本发明一种定量分析步进电机启动能力的方法的流程图；图2为本发明实施例步进电机静止启动矩频特性曲线；图3为本发明实施例单相半电流保持动态响应的动态启动的等效负载转矩示意图；图4为本发明实施例对1khz动态启动能力判断示意图；图5为本发明实施例对333hz动态启动能力判断示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。如图1所示，一种定量分析步进电机启动能力的方法，包括：s01，通过实验测试步进电机在不同启动频率下的最大静态启动转矩，绘制电机的静态矩频特性曲线。一定频率下，步进电机能带动的负载是一定的。在给定启动频率下，步进电机能够从零速到额定转速所带动的最大负载转矩，即为最大静态启动转矩。当负载转矩大于f启动频率下的最大静态启动转矩时，步进电机无法正常启动，出现失步问题。当步进电机静止启动时，步进电机启动频率与负载转矩、转动惯量之间满足以下关系：式中，te表示电机的电磁转矩，tl表示电机的负载转矩，j表示电机的转动惯量，ω表示电机的角速度。由式(1)可知，当步进电机从静止启动时，在一定的电磁转矩te输出下，转子的角加速度dω/dt越大(相当于启动时脉冲频率越大)，负载能力越小。本步进电机静止启动时的矩频特性测试结果如表1所示，数据都由实际实验测得。表1启动频率(hz)启动转矩(n.m)2001.041253330.992254000.796255000.747256000.747258000.7472510000.69825根据表1的数据绘制得到步进电机静止启动矩频特性曲线，参见图2，图2表示的含义为，在不同启动频率下，步进电机从静止状态启动时所能带动的最大负载。s02，将步进电机转子在动态启动时受初始速度和初始位置的影响等效为初始速度等效负载转矩tl1和初始位置等效负载转矩tl2。当步进电机动态启动时，转子的初速度不为零，静态矩频特性曲线无法直接用于判定是否能够成功启动。当步进电机动态启动时，假设转子初始位置与静止启动测试时的初始位置相同(即平衡位置)，可以将速度对电机启动能力的影响等效为一个静态启动负载，将其称为初始速度等效负载转矩tl1。转子的初始角速度会随转子的初始位置角而变化。如果转子在启动时刻正好反向通过平衡位置，则其具有最大的反向初始角速度，此时初始速度等效负载转矩tl1最大，启动最困难。步进电机的初始位置也会影响其启动能力。首先，动态振荡幅值与该电机矩角特性的稳定区域相比很小，所以转子位置在下一个脉冲的牵引范围内。但是，转子位置回到平衡位置过程中，负载转矩对转子也会作功。这部分的影响也可以等效为一个额外的等效负载转矩，将其称为初始位置等效负载转矩tl2。s03，设定启动频率，计算步进电机静态启动时的负载转矩tl，进一步求得在各个初始速度与初始位置状态下动态启动时的总等效静负载。步进电机从静止状态启动时，施加第一个脉冲后，转子从初始位置转到平衡位置的时间为t1，转过角度为θ，te为电磁转矩，转子的速度从0上升到ω1，则由角动量守恒定律可知：当步进电机动态启动时，转子的初始速度不为零。因此，图2所示矩频特性曲线无法直接用于判定是否能够成功启动。当步进电机动态启动时，假设转子初始位置与静止启动测试时的初始位置相同(即平衡位置)，转子初始角速度为ω0。如果电机在该状态下能正常启动，那么在施加第一个脉冲后，转子从初始位置(第一个位置)转到新平衡位置的时间为t1，转过角度为θ，转子的速度从ω0上升到ω1，由角动量守恒定律可知：联立式(2)和(3)，可得近似认为δte为恒值，则定义tl1＝δte＝-jω0/t1(5)将式(5)代入式(3)后得到从式(6)看出，转子初始位置与静止启动测试时的初始位置相同时，可以近似将总等效静负载等效为电机的负载转矩tl与初始速度等效负载转矩tl1的和，具体计算公式为：t′l＝tl+tl1(7)虽然在公式中，初始速度等效负载转矩tl1与转子转过的角度无关，但是转子的初始角速度会随转子的初始位置角而变化。如果转子在启动时刻正好反向通过平衡位置，则其具有最大的反向初始角速度，此时等效转矩分量tl1最大，启动最困难。当转子初始位置与静止启动测试时的初始位置不相同时，假设转子初始偏离平衡位置为θ0，依据能量守恒，初始位置的等效负载转矩需要在一个步长里将这部分能量补偿完：tl2θstep＝tlθ0(8)其中，θstep为电机一个步长对应的机械角度。所以，初始位置等效负载转矩为：tl2＝tlθ0/θstep(9)综上，所述步进电机的等效启动负载转矩由三部分组成，实际负载转矩tl(即电机静态启动时的负载转矩)，受电机初速度影响得到的初始速度等效负载转矩tl1以及受电机初始位置影响得到的初始速度等效负载转矩tl2。总等效静负载的计算公式为：t′l＝tl+tl1+tl2(10)如图3所示，给出了单相半电流保持动态响应的动态启动的附加等效转矩，附加等效转矩包括初始速度等效转矩和初始位置等效转矩，可以看出，初始速度和初始位置等效转矩相差90度。同时，初始位置等效转矩比初始速度等效转矩小得多。所以，合成的附加等效转矩幅值与初始速度的等效转矩相似，只是最大值出现时刻向后稍微延迟。动态启动的最困难点是当转子动态回冲稍过平衡位置。s04，将总等效静负载与最大静态启动转矩相比较，判断步进电机在该启动频率下能否正常启动。如图4所示，针对启动第一个脉冲为1ms的情况，也就是相当于启动频率1khz。根据图2可以看出，针对1khz启动频率，最大能够启动的静态转矩为0.7nm。而图4显示在局部范围内，动态启动附加等效转矩加上0.2nm负载转矩之后的总等效静负载已经超过了0.7nm，会出现失败的情况。如图5所示，针对启动第一个脉冲为3ms的情况，也就是相当于启动频率333hz。根据图5可以看出，针对333hz启动频率，最大能够启动的静态转矩为1nm。图5中最大的动态启动附加等效转矩值为0.619nm，考虑最大负载0.28nm，最终的最大总等效静负载为0.899nm，所以可以在整个区域内安全启动。以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12