步進電機調速，S曲線調速算法你會嗎？

[導讀] 大家好，我是逸珺。

今天想分享一種超級實用的步進電機調速算法，這種算法在步進電機調速方案中可以說是一種非常優(yōu)異的方案。

梯形調速算法

為啥需要設計一個調速算法呢？步進電機不是給多少脈沖就動多少步嗎？但是帶上負載了就可能失步，所謂失步，簡單理解就是實際電機軸轉過的度數，沒有輸入脈沖對應度數多。為什么會這樣呢？電機的扭矩有可能無法驅動負載。一般會做一個啟動加速控制過程，停止的時候做一個減速控制，中間做一個勻速控制。這就是比較常見的梯形調速控制算法。

這樣一個梯形調速算法，相當于步進電機的運動過程包含三個階段：

• ①加速過程
• ②勻速過程
• ③減速過程

①加速過程所用到的加速度為：

一般加速過程與減速過程所用的加速度絕對值是相同的，減速過程相當于加速度為-a.

所以總的行程圖中速度曲線下陰影部分三個過程的面積：

由于加速過程與減速過程所用到的加速度絕對值相等，所以,所以

梯形速度調速算法很簡單，比較容易實現，但是這個算法卻有缺陷。

圖中紅色圓圈的位置，加速度從a突變?yōu)?，或從0突變?yōu)?a,這些突變點會帶來什么后果呢？來看看其加速度曲線：

電機帶著負載運動，比如常見的絲桿將電機的旋轉運動，轉化直線運動，又或者齒輪或滾珠結構，帶動負載進行旋轉運動。具有一定的質量的負載，在加速度突變情況下，很有可能會造成機械振動。

比較專業(yè)一點的術語稱為急動(Jerk)，其實就是考察加速度的變化率的，也可以稱為加加速度，我們知道速度的變化率就是加速度，而加速度的變化率就是加加速度。

如果用數學語言來裝下逼，就是速度函數對時間的一階導數就是加速度，而對加速度曲線的一階導數就是加加速度。因此上圖中加速度在時刻突變，意味著加加速度為無窮大。

對于給定的負載，加加速度越大，產生的不需要的振動能量就越大，振動能量的頻譜也就越寬。這意味著加速度變化越快，振動就越強大，激發(fā)的振動模式數量也就越多。由于振動能量被系統(tǒng)機械吸收，如果振動頻率與機械和控制系統(tǒng)中的共振相匹配，則可能會導致穩(wěn)定時間增加或精度降低。

這樣一說，好像就有思路了，我們如果能做到加速度的變化率是連續(xù)的，是否這種變化就會變得平滑呢？運動是不是就更柔性？所謂變化率連續(xù)，是不是就是相對于加速度函數的導數曲線是連續(xù)的就可以了？

S-曲線調速算法

假定來歸一化速度曲線為從0加速到1，假設能做出如下調速曲線：

這樣來看看這些拐點：

看速度曲線先是比較緩慢的增加，然后再比較快速的增加，然后在慢慢第逼近到期望的設定速度，因此這是一個變加速過程。再來做一個進一步的假設，把加速度過程的時間也做一個歸一化：

對于函數，可以看出：

前面說,那么，意味著在0、1時刻，加速度為0。

假設速度曲線函數為：

則其一階導數為：

這樣就可以得出下面的方程組了：

解出a和b：

因此，調速曲線就得到了：

其加速度曲線為：

整個過程的加速度曲線長這樣：

這樣一來，加速度就是連續(xù)變化的，沒有突變點。解決了之前提到的急動的問題。由于加速、減速過程完全對稱，因此我們關心的運動距離控制，則很容易用下圖中綠色區(qū)域的面積計算得到：

有了這樣的數學模型，編碼實現就是水到渠成的事情了。

總結一下

電機速度控制，一般盡量做到柔性調速，本文分享的步進電機的S-曲線調速數學算法模型，是一個非常棒的算法模型。速度一開始緩慢增加到快速增加，再回到緩慢增加直到速度達到設定期望速度。從設計上，兼顧了快速啟停，又能盡最大程度降低加速度突變這一對矛盾。希望對有興趣的朋友有所幫助。

—— The End?——