基于STM32的5段式S型交流伺服电机控制方法_夏侯命栋.pdf

基金项目：国家科技支撑计划资助项目（编号：2021YFC2900700）；中国铀业有限公司东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金资助项目（编号：NRE2021-03）收稿日期：20221111基于STM32的5段式S型交流伺服电机控制方法*夏侯命栋1,2，张雄杰1,2，王鲍1,2，李东1,2，叶煜力1,2，冯丽1,2（1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，南昌330013；2.东华理工大学 核技术应用教育部工程研究中心，南昌330013）摘要：在传统的加减速算法中，由于起点和终点的加速度不连续，易造成电机在运转过程中存在着冲击噪声和抖动现象。因此为实现交流伺服电机运行平稳，减少运行过程中的抖动和噪声，以及提高系统运行效率，减少系统运算量，提出了5段式S型加减速控制算法。同时将该S型控制算法改进后运用到STM32单片机上，以设计小型化、低成本的伺服控制器。采用位移和速度数组遍历查询的方式进行程序的设计，可实现电机速度、位移可调的加速启动、匀速运行和减速停止。为验证该控制器的可行性，将其运用到矿石分选实验平台上进行实际运行测试，利用上位机软件进行实时速度图像采集并对采集的图像进行分析。结果表明：该控制器可在较短时间内完成速度表计算和扫描，从实验平台上采集的图像中可以分析出运行过程中速度过渡较为平滑，电机运行平稳。关键词：伺服电机；5段式S型加减速；STM32中图分类号：TP202文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02004205A Method of Five-segment S-type AC Servo Motor Control Based on STM32Xiahou Mingdong1,2，Zhang Xiongjie1,2，Wang Bao1,2，Li Dong1,2，Ye Yuli1,2，Feng Li1,2（1.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;2.Engineering Research Center of Nuclear Technology Application(Ministry of Education),East China University of Technology,Nanchang 330013,China）Abstract:In the traditional acceleration and deceleration algorithm,because of the discontinuous acceleration of the starting point and the endpoint,it is easy to cause the impact noise and jitter phenomenon in the running process of the motor.Therefore,in order to achieve stableoperation of AC servo motor,reduce jitter and noise during operation,improve system operation efficiency and reduce system calculation,a fivesegment S-type acceleration and deceleration control algorithm was proposed.At the same time,the improved S-type control algorithm wasapplied to STM32 single-chip microcomputer to design a miniaturized and low-cost servo controller.The program was designed by traversingthe array of displacement and velocity,which could realize the accelerated starting,uniform running and deceleration stopping of the motor withadjustable speed and displacement.In order to verify the feasibility of the controller,the controller was applied to the ore separationexperimental platform for actual operation test,and the upper computer software was used to collect real-time speed images and analyze thecollected images.The results show that the controller can complete the speedometer calculation and scanning in a short time,and it can beanalyzed from the images collected on the experimental platform that the speed transition is smooth and the motor runs smoothly duringoperation.Key words:servo motor;5-stage S-type acceleration and deceleration;STM322023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.010夏侯命栋，张雄杰，王鲍，等.基于STM32的五段式S型交流伺服电机控制方法 J.机电工程技术，2023，52（02）：42-46.0引言在实际应用中交流伺服电机主要用于精密测量台、工业机器人、人形机器人等，其主要特点在于精密的位置控制1。为减少电机在启停阶段的抖动和噪声、速度不稳定、定位不准确，就必须采用专门的加减速控制算法设计一款控制器，使得该控制器能够指定电机按照预设速度、预设位置进行移动。加减速控制算法的使用已较为普遍，主要包括：指数型模式、线性模式、S型模式，多项式加减速2-3。指数加减速算法实现启停时速度突变按照指数规律上升或下降，肖立娜4将传统的指数加减速算法进行改进，提出微小程序段间的速度平滑指数加减速算法，可实现微小程序段之间的连续加工，减少加减速控制次数，提高运行效率。方佳伟5提出基于Sigmoid函数S型加减速算法，此算法通过时间和速度数组的遍历，减少了机械设备启停的抖动时间。黄艳6在2005年提出一种7段式的S型曲线加减速算法，该算法可以获得平滑的速度和加速度，减少电机在运行过程中产生不希望的振动。钟前 42进7在 2019 年提出了一种新型的 S 型曲线加减速算法，该方法是利用三角函数在梯形速度轨迹上拟合一条S型速度曲线，该算法简单且能够输出连续的速度和加速度。徐川8提出一种多项式加减速控制方法，该多项式包含11个速度调整阶段，使得系统具有更高的加减速柔性。7段式和11段式的加减速算法，虽然可以实现较好地加减速，但分段公式多，运算量较大。为降低计算复杂度，保证速度柔性9，本文提出 5 段的 S 型加减速算法。相比于指数型和线性模式，可以减小启动和停止过程中的噪声，速度也趋于平滑。采用位移和速度数组遍历查询的方式进行程序设计，可实现电机速度、加减速时间、位移可调的加速启动、匀速运行、减速停止。将该算法运用到STM32单片机上实现对电机速度和位移进行调整和验证。15段式S型加减速控制算法1.15段式S型控制算法原理5段的S型加减速是根据速度、时间、加速度、加加速度和位移等物理公式所构造的分段函数。图1和图2分别为梯形加减速曲线和5段式S型加减速曲线。由于梯形加减速的加速度在运行过程中存在突变，因此会使得伺服电机产生冲击和噪声，降低了运行的平稳性10。而在5段式的S型加减速中，电机的加速度是连续的，不存在突变，从而可以减少冲击，提高运行平稳性。如图2（a）中所示t1阶段是加加速阶段，t2阶段为减加速阶段，t3为匀速阶段，t4为加减速阶段，t5为减减速阶段，Vm为中间点速度；图2（b）中t阶段为加速过程加速度曲线。a=k tt 0,t1（1）式中：a为电机运行的加速度；k为加速运动的加加速度；t为电机运行的当前时刻。式（1）中加加速度恒定为k，加速度是一条根据时间变化的直线。T=t2（2）式中：T为电机加速过程中间点时间；t为总的加速过程时间。加加速运动与减加速运动的运行时间是总加速时间的一半。Vm=v0+vt2（3）式中：vm为电机运行的中间点速度；v0为初速度，vt为末速度。中间点速度是初速度与末速度的一半。V=adt=k tdt=12k t2t 0,t1（4）式中：V为电机运动的瞬时速度。式（4）对式（1）进行积分求得某一时刻的瞬时速度，因此式（4）中速度的改变是由时间所确定的。k=2 Vm-V0T2（5）当瞬时速度V=Vm，且设置初速度V0=0时，将式（4）进行转变得到式（5），进而得到恒定的k值。S=vdt=12k t2dt=16 k t3（6）式中：S为总的位移，通过对瞬时速度进行积分即可得到。因此运行过程中总位移S的值是由加加速度k和运行时间t共同决定。1.2控制算法的分段规划在5段式S型加减速中加速阶段和减速阶段是对称的，加速阶段速度表顺序取值，减速阶段速度表逆序取值，匀速阶段则是以加速阶段最大速度运行，因此只需建立加速阶段的速度表。（1）加加速阶段由式（6）可知，若已知当前加加速段的位移S，即可求得当前加速的时刻值：Ti=()6ik13（7）式中：i为当前加速次数对应位移；Ti为当前位移下的时刻。将Ti代入到式（4）则可求得速度的变化量dV：dV=12k Ti2（8）存入数组的速度值即为：Speedn=V0+dV，0n加加速阶段次数。（2）减加速阶段在减加速度阶段中，电机运动的实际加加速度值为-k。因此相比于加加速阶段，该速度表的生成类似于以初速度为Vt、加加速度为k的类减速运动。求取速度时本文将减加速阶段的速度-时间进行等时离散化。Tn=T-temp TimeDec（9）式中：Tn为类减速运动的当前加速次数时刻；temp为当前加速次数的位移；TimeDec为运行一小段位移的平均时间。将时间Tn代入式（4）则有速度变化量dV：图1梯形加减速曲线示意图图25段式S型加减速曲线示意图夏侯命栋，张雄杰，王鲍，等：基于STM32的五段式S型交流伺服电机控制方法 43dV=12k T2n（10）存入数组的速度值即为：Speedn=Vt-dV，加加速阶段次数n最大加速次数。将加加速阶段和减加速阶段构成的速度表从小到大依次排列和组合，因此可以得到整个加速阶段速度表为Speedn。2S型加减速的程序设计传统的伺服控制器多以DSP为主，对于一些成本低和体积小的就不在适用于 DSP11-12。DSP对电机控制有很大的优化，但不利于伺服系统功能扩展13。且DSP多以现场进行速度位移计算。本文的主控制芯片为STM32F103ZET6，通过发送有限脉冲和控制脉冲频率以改变伺服电机的位移和速度。由于发送脉冲过程中的间隔时间短，为减少期间的计算，因此需要提前创建好速度表，同时减少定时精度造成的控制精度14。且由于单片机的内存有限