步进电机加减速控制器的设计

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  • 摘要:步进电机易于控制、快速响应性好、并可在很宽的范围内进行平滑调速,是数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制等自动控制系统中广泛应用的执行元件。步进电机的起动频率特性使步进电机启动时不能直接达到运行频率,而要有一个启动过程,即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。停止时运行频率不能立即降为零,而要有一个高速逐渐降速到零的过程。
    关键词:加减速控制;FPGA;VHDL;步进电机


    0 引言
        几十年来,数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展,为步进电机的应用开辟了广阔的前景。由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简单、廉价,又非常可靠。此外,步进电机还广泛应用于诸如打印机、雕刻机、绘图仪、绣花机及自动化仪表等。正因为步进电机的广泛应用,对步进电机的控制的研究也越来越多,在启动或加速时若步进脉冲变化太快,转子由于惯性而跟随不上电信号的变化,产生堵转或失步;在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步,提高工作频率,要对步进电机进行升降速控制。本文介绍一个用于自动磨边机的步进电机升降速控制器,由于考虑了通用性,它可以应用于其他场合。
        从步进电机的矩频特性可知,步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降,启动频率越高,启动转矩就越小,带动负载的能力越差,启动时会造成失步,而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲,其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩,又不能超过这个转矩。因此,步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段,要求加减速过程时间尽量的短,恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中,从起点到终点运行的时间要求最短,这就必须要求加速、减速的过程最短,而恒速时的速度最高。而以前升速和降速大多选择按直线规律,采用这种方法时,它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。在步进电机不失步的条件下,驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时,直线规律的升降速才是理想的升降速曲线,而步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降,所以直线就不是理想的升降速曲线。因此,按直线规律升降速这种方法虽然简单,但是它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应,不能最大限度的发挥电机的加速性能。本系统寻求一种基于FPGA控制的按指数规律升降速的离散控制算法,经多次运行,达到预期目标。

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