一种基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法与流程

本发明涉及一种液体火箭发动机步进电机变速调节控制方法。

背景技术：

随着液氧/煤油发动机研制进程的推进和发动机的性能考核要求不断提高，开展了流量调节器和燃料节流阀步进电机控制技术的研究和开发。

液氧/煤油系列发动机用电机组件均为两相混合式步进电动机，工作方式为两相八拍。电机组件工作时给电机绕组施加控制驱动信号，电机转子开始旋转，并将转矩传递给减速器，输出轴上得到较低转速、较大转矩的输出。

由于电机启动时要克服惯性负载和摩擦负载，如果控制电机的启动频率过高，高于电机正常空载启动频率时，转子的速度跟不上定子磁场旋转的速度，会产生失步或堵转；而若启动频率过低，电机运转可能出现振动。停机过程中，如果停的过快，转子的速度跟不上定子磁场旋转的速度，会产生失步或堵转。

液体火箭发动机的步进电机在试车台试验时，需要通过长电缆进行步进电机驱动，并要求步进电机在大驱动力矩下可靠起停，因此更需要对电机的升降速过程进行控制。

技术实现要素：

为有效解决步进电机快速起停过程中所出现的失步、堵转或振动的问题，本发明提供一种基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)初始化

将步进电机运行的脉冲标志置零；

设置电机调速中断的定时器初始定时频率；

定义步进电机升速段定时器变频数组，所述升速段定时器变频数组包括从电机起步到电机达到额定频率的多个按序排列的不同频率点aj，j为频率点编号，取值为1-n，n为正整数，且15＜n＜25；每一个频率点对应多个按序排列的脉冲单元，记为ajk，k为每一个频率点的脉冲单元编号，取值为1-m，m为正整数，且30＜m＜50；每个脉冲单元对应步进电机运行的一步，每个脉冲单元包括两个脉冲拍，一个为高电平，另一个为低电平；脉冲拍发送的时间间隔是由定时器的定时频率确定的；

定义步进电机降速段定时器变频数组为逆序的升速段定时器变频数组；

定义升速段脉冲单元个数＝降速段脉冲单元个数＝m*n–f；f为正整数，10＜f＜40；

定义步进电机低电平有效；

2)参数配置

配置步进电机运行角度，根据步进电机运行角度计算脉冲单元总数；

3)开启电机调速中断

电机调速中断按照当前定时器定时频率执行；

4)电机运行，进行电机变速调节；

4.1)判断当前脉冲单元总数是否为零，如果是，退出中断；否则，执行步骤4.2)；

4.2)脉冲标志取反；

4.3)判断脉冲标志，如果是1，执行步骤4.4)；否则，给步进电机发送高脉冲，中断返回到步骤4.1)；

4.4)给步进电机发低电平，当前脉冲单元总数减1；判断当前的脉冲单元总数是否大于降速段的脉冲单元个数，如果是，步进电机处于升速度或平稳段，执行步骤4.5)；否则，步进电机处于降速段，执行步骤4.8)；

4.5)判断当前的频率点编号j是否小于n，如果是，执行步骤4.6)；如果否，中断返回到步骤4.1)；

4.6)将当脉冲单元编号k加1，判断加1的k值是否等于m，如果等于m，执行步骤4.7)；否则，中断返回到步骤4.1)；

4.7)将k置零，将j加1，将定时器频率设置为与电机升速段定时器变频数组中j加1之后所对应的频率点；之后，中断返回到步骤4.1)；

4.8)判断当前的频率点编号j是否大于0，如果是，执行步骤4.9)；如果否，中断返回到步骤4.1)；

4.9)将当脉冲单元编号k加1，判断加1的k值是否等于m，如果等于m，执行步骤4.10)；如果k不等于m，中断返回到步骤4.1)；

4.10)将k置零，将j减1，将定时器频率设置为与电机降速段定时器变频数组中j减1之后所对应的频率点，中断返回到步骤4.1)。

进一步地，步骤1)中的变频数组包括20个不同的频率点，依次是800hz、1000hz、1200hz、1400hz、1600hz、1800hz、2000hz、2200hz、2400hz、2600hz、2700hz、2850hz、2900hz、2950hz、3000hz、3050hz、3050hz、3100hz、3150hz、3200hz。

进一步地，步骤1)中m为40。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明所提供的基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法，在电机运转中断服务程序中同步进行脉冲信号的频率设置和发送，实现了流量调节器电机变频、变速控制，从而有效解决步进电机快速起停过程中所出现的失步、堵转或振动的技术问题。

2、本发明所提供的基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法，在电机连续运转中，采用多阶梯、不等步距控制技术，控制电机从启动频率起步后，逐步升至额定频率，每段频率间隔不同，设定原则是在低频段变频间隔大(最大200hz)保证电机起步后的快速调节；高频段变频间隔小并逐步缩小间隔频率(最小50hz)，保证电机高速状态平稳运行且不失步。降速过程相同，从额定频率逐步降至初始启动频率；本发明了确保了步进电机快速启停、不同速度调节和大驱动力矩下运转平稳性能。

3、本发明所提供的基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法，能够满足150m长电缆、空载和30n.m满负载状态下步进电机快速启动且不失步。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明。

为了在长电缆、大驱动力矩条件系实现步进电机的可靠起停，也曾采用过下面的方法。

首先，变频控制是中断定时时间提前设定不变，通过改变中断服务程序中电机步进脉冲数来改变每阶梯段的运行频率；其次频率设定不同，800hz启动后，经过13段变频升为3200hz，每段频率运行32步，运行频率点如下：800hz、853hz、914hz、984hz、1067hz、1164hz、1280hz、1422hz、1600hz、1828hz、2133hz、2560hz、3200hz。此控制方法和参数在电机空载时运转正常为无失步，但在150m长电缆加载状态，出现运转失步，由此需要调整运转频率。

为此，本发明采用了另一种调速方法，是通过在电机运转中断服务程序中同步进行脉冲信号的频率设置和发送，实现了流量调节器电机变频、变速控制，从而有效解决长电缆、大力矩下的步进电机快速起停过程中所出现的失步、堵转或振动的技术问题。如图1所示，本发明的一个具体的实施案例如下：

1)初始化

将步进电机运行脉冲标志置零；

设置电机调速中断的定时器初始定时频率；

定义步进电机升速段定时器变频数组，所述变频数组包括从电机起步到电机达到额定频率的20按序排列的不同频率点aj，j为频率点编号，取值为1-20，频率点依次是800hz、1000hz、1200hz、1400hz、1600hz、1800hz、2000hz、2200hz、2400hz、2600hz、2700hz、2850hz、2900hz、2950hz、3000hz、3050hz、3050hz、3100hz、3150hz、3200hz；每一个频率点对应40个按序排列的脉冲单元，记为ajk，k为每一个频率点的脉冲单元编号，取值为1-40；每个脉冲单元对应步进电机运行的一步，每个脉冲单元包括两个脉冲拍，一个为高电平，另一个为低电平；脉冲拍发送的时间间隔是由定时器的定时频率确定的；

定义步进电机降速段定时器变频数组为逆序的升速段定时器变频数组；

定义升速段脉冲单元个数＝降速段脉冲单元个数＝780；

定义步进电机低电平有效；

2)参数配置

配置步进电机运行角度，根据步进电机运行角度计算脉冲单元总数；

3)开启电机调速中断

电机调速中断按照当前定时器定时频率执行；

4)电机运行，进行电机速度调节；

4.1)判断当前脉冲单元总数是否为零，如果是，退出中断；否则，执行步骤4.2)；

4.2)脉冲标志取反；

4.3)判断脉冲标志，如果是1，执行步骤4.4)；否则，给步进电机发送高脉冲，中断返回到步骤4.1)；

4.4)给步进电机发低电平，当前脉冲单元总数减1；判断当前的脉冲单元总数是否大于降速段的脉冲单元个数780，如果是，执行步骤4.5)；否则，执行步骤4.8)；

4.5)判断当前的频率点编号j是否小于20，如果是，执行步骤4.6)；如果否，中断返回到步骤4.1)；

4.6)将当脉冲单元编号k加1，判断加1的k值是否等于40，如果等于40，执行步骤4.7)；否则，中断返回到步骤4.1)；

4.7)将k置零，将j加1，将定时器频率设置为与电机升速段定时器变频数组中j加1之后所对应的频率点；之后，中断返回到步骤4.1)；

4.8)判断当前的频率点编号j是否大于0，如果是，执行步骤4.9)；如果否，中断返回到步骤4.1)；

4.9)将当脉冲单元编号k加1，判断加1的k值是否等于40，如果等于40，执行步骤4.10)；如果k不等于40，中断返回到步骤4.1)；

4.10)将k置零，将j减1，将定时器频率设置为与电机降速段定时器变频数组中j减1之后所对应的频率点，中断返回到步骤4.1)。

本实施例中控制电机从800hz起步，经过20个频率段，逐步升到3200hz，每个频率段电机运行的步数相同(40步)，每发一拍脉冲电机运转0.003°，升降速过程电机各运转约2.34°。电机运转频率的设定原则是在低频段变频间隔大(最大200hz)保证电机起步后的快速调节；高频段变频间隔小并逐步缩小间隔频率(最小50hz)，保证电机高速状态平稳运行且不失步。每个频率段电机运行步数为40步(步数越长越平稳，但运行时间增长)。为实现电机变速控制，运行频率的阶梯变化通过软件改变8254定时器定时常数实现，即实现变频中断控制，中断服务程序中分别完成步进电机脉冲信号的发送。