《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 可編程邏輯 > 設(shè)計應(yīng)用 > 基于FPGA的步進電機加減速控制器的設(shè)計
基于FPGA的步進電機加減速控制器的設(shè)計
山西電子技術(shù)
黃楚芳 陳鴻
摘要: 本系統(tǒng)尋求一種基于FPGA控制的按指數(shù)規(guī)律升降速的離散控制算法,經(jīng)多次運行,達到預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計按照步進電機的動力學(xué)方程和矩頻特性曲線推導(dǎo)出按指數(shù)曲線變化的升降速脈沖序列的分布規(guī)律,因為矩頻特性是描述每一頻率下的最大輸出轉(zhuǎn)矩,即在該頻率下作為負載加給步進電機的最大轉(zhuǎn)矩。因此把矩頻特性作為加速范圍下可以達到(但不能超過)的最大輸出轉(zhuǎn)矩來擬訂升降速脈沖序列的分布規(guī)律,就接近于最大轉(zhuǎn)矩控制的最佳升降速規(guī)律。這樣能夠使得頻率增高時,保證輸出最大的力矩,即能夠?qū)ψ畲蟮牧剡M行跟隨,能充分的發(fā)揮步進電機的工作性能,使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。
Abstract:
Key words :

      幾十年來,數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展,為步進電機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既非常簡單、廉價,又非??煽?。此外,步進電機還廣泛應(yīng)用于諸如打印機、雕刻機、繪圖儀、繡花機及自動化儀表等。正因為步進電機的廣泛應(yīng)用,對步進電機的控制的研究也越來越多,在啟動或加速時若步進脈沖變化太快,轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化,產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步;在停止或減速時由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步,提高工作頻率,要對步進電機進行升降速控制。本文介紹一個用于自動磨邊機的步進電機升降速控制器,由于考慮了通用性,它可以應(yīng)用于其他場合。

      從步進電機的矩頻特性可知,步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的上升而下降,啟動頻率越高,啟動轉(zhuǎn)矩就越小,帶動負載的能力越差,啟動時會造成失步,而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖,其關(guān)鍵在于使加速過程中加速度所要求的轉(zhuǎn)矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的轉(zhuǎn)矩,又不能超過這個轉(zhuǎn)矩。因此,步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段,要求加減速過程時間盡量的短,恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中,從起點到終點運行的時間要求最短,這就必須要求加速、減速的過程最短,而恒速時的速度最高。而以前升速和降速大多選擇按直線規(guī)律,采用這種方法時,它的脈沖頻率的變化有一個恒定的加速度。在步進電機不失步的條件下,驅(qū)動脈沖頻率變化的加速度和步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。在步進電機的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時,直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線,而步進電機的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升而下降,所以直線就不是理想的升降速曲線。因此,按直線規(guī)律升降速這種方法雖然簡單,但是它不能保證在升降速的過程中步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng),不能最大限度的發(fā)揮電機的加速性能。本系統(tǒng)尋求一種基于FPGA控制的按指數(shù)規(guī)律升降速的離散控制算法,經(jīng)多次運行,達到預(yù)期目標(biāo)。

1 加減速控制算法

1.1 加減速曲線

      本設(shè)計按照步進電機的動力學(xué)方程和矩頻特性曲線推導(dǎo)出按指數(shù)曲線變化的升降速脈沖序列的分布規(guī)律,因為矩頻特性是描述每一頻率下的最大輸出轉(zhuǎn)矩,即在該頻率下作為負載加給步進電機的最大轉(zhuǎn)矩。因此把矩頻特性作為加速范圍下可以達到(但不能超過)的最大輸出轉(zhuǎn)矩來擬訂升降速脈沖序列的分布規(guī)律,就接近于最大轉(zhuǎn)矩控制的最佳升降速規(guī)律。這樣能夠使得頻率增高時,保證輸出最大的力矩,即能夠?qū)ψ畲蟮牧剡M行跟隨,能充分的發(fā)揮步進電機的工作性能,使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。

      由步進電機的動力學(xué)方程和矩頻特性曲線,在忽略阻尼轉(zhuǎn)矩的情況下,可推導(dǎo)出如下方程:
   
式中,為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,K為假定輸出轉(zhuǎn)矩按直線變化時的斜率,τ為決定升速快慢的時間常數(shù),在實際工作中由實驗來確定。fm為負載轉(zhuǎn)矩下步進電機的最高連續(xù)運行頻率,步進電機必須在低于該頻率下運行才能保證不失步。(1)式為步進電機的升速特性,由此方程可繪制出電機升速曲線。(1)式表明驅(qū)動脈沖的頻率f應(yīng)隨時間t作指數(shù)規(guī)律上升,這樣就可以在較短的時間內(nèi)使步進電機的轉(zhuǎn)速上升至要求的運行速度。鑒于大多數(shù)的步進電機的矩頻特性都近似線性遞減的,所以上述的控制規(guī)律為最佳。

1.2 加減速離散處理

      在本系統(tǒng)中,F(xiàn)PGA使用分頻器的方式來控制步進電機的速度,升降速控制實際上是不斷改變分頻器初載值的大小。指數(shù)曲線由于無法通過程序編制來實現(xiàn),可以用階梯曲線來逼近升速曲線,不一定每步都計算裝載值。

      如圖1所示,縱坐標(biāo)為頻率,單位是步/秒,其實反映了轉(zhuǎn)速的高低。橫坐標(biāo)為時間,各段時間內(nèi)走過的步數(shù)用N來表示,步數(shù)其實反映了行程。圖中標(biāo)出理想升速曲線和實際升速曲線。

      步進電機的升速過程可按以下步驟進行處理。

      (1)若實際運行速度為fg,從(3.4)式中可算出升速時間為:

   
      (2)將升速段均勻地離散為n段即為階梯升速的分檔數(shù),上升時間為tr,則每檔速度保持時間為:

   
      程序執(zhí)行過程中,對每檔速度都要計算在這檔速度應(yīng)走的步數(shù),然后以遞減方式檢查,即每走一步,每檔步數(shù)減1。當(dāng)減至零時,表示該檔速度應(yīng)走的步數(shù)己走完,應(yīng)進入下一檔速度。一直循環(huán)到給出的速度大于或等于給定的速度為止。減速過程與升速過程剛好相反。

2 頻率脈沖的實現(xiàn)

      頻率脈沖模塊的核心是可控分頻器,由外部的晶振產(chǎn)生標(biāo)準頻率,只要在分頻器的輸入端輸入相應(yīng)的分頻系數(shù),就可以得到所需的頻率。本模塊是利用VHDL硬件描述語言,通過QuartusII開發(fā)平臺,使用Altera公司的FPGA,設(shè)計了一種能夠滿足上述各種要求的較為通用的可控分頻器。圖2為分頻器的原理圖,圖3為分頻器的仿真波形圖。

3 結(jié)語

      基于硬件描述語言VHDL設(shè)計的控制器具有開發(fā)設(shè)計周期短、風(fēng)險低、系統(tǒng)集成度高、功耗低等優(yōu)點,將是芯片設(shè)計的主流方向。開放式數(shù)控系統(tǒng)中,研究實現(xiàn)能硬件復(fù)用的加減速模塊以及相關(guān)功能模塊,利用可編程邏輯器件FPGA的可重構(gòu)能力,能按需求靈活實現(xiàn)功能全定制的運動控制芯片。本文設(shè)計了自動磨邊機中的指數(shù)加減速控制器。在此基礎(chǔ)上,只需擴展相應(yīng)個數(shù)的加減速模塊即可實現(xiàn)多軸聯(lián)動加減速控制。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。