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?？煽俊４送?，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(zhǔn)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。