产生任意频率脉冲的方法以及步进电机的升降速控制方法技术

本发明专利技术公开了一种产生任意频率脉冲的方法以及步进电机的升降速控制方法，首先，利用外部提供的时钟控制计数器计数；其次，利用计数器的不同计数位对外部提供的时钟频率进行分频，并通过各计数位输出不同分频频率的脉冲信号；然后，根据实际需要提取其中的某一种或者某几种分频频率的脉冲信号进行组合，以产生所需频率的脉冲信号。本发明专利技术克服了传统的只能产生整数分频值的脉冲信号的缺点，在精度上更符合实际要求。用于步进电机控制领域，同时将产生的脉冲值与步进电机在升降速时的实际频率时间曲线图相结合，可以使得各个时间点上的脉冲值更符合实际运行轨迹，从而能够避免步进电机在启动和制动阶段的失步和过冲现象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机控制
，具体地说，是涉及一种产生任意频率脉冲信号的方法以及基于该方法设计的步进电机升降速控制方法。
技术介绍
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机驱动器接收到 一个脉冲信号后，就驱动步进电机按照设定的方向转动一个固定的角度(称为"步距角")。 步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移 量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达 到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。在非超载的情况下，步进电动机的转速、停止的 位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。因此，在启动时，若提供的频率过高，会使步进电 机发生失步现象而不能正常启动；停止时，若频率突然降为零，则会使步进电机发生过冲现 象而导致精度的降低。 传统的速度控制策略是匀加减速控制，无法使步进电机的转速平稳地过渡到稳速 运行状态，因而不适用于动态性能要求较严格的场合。传统的控制器件多采用单片机，由于 单片机是一种非并行执行的器件，各信号之间的同步性将受到一定的影响，软件编程实现 速度控制也较为繁琐。针对步进电动机的升降速控制问题，理论上指数型曲线控制方法较 好。但是，在产生连续可调的脉冲方面仍然存在困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以产生任意频率脉冲信号的方法，应用于实际被控对象，可以提高控制精度，使被控对象能够按照理想曲线运行。 为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现 —种产生任意频率脉冲的方法，包括以下步骤 首先，利用外部提供的时钟控制计数器计数； 其次，利用计数器的不同计数位对外部提供的时钟频率进行分频，并通过各计数 位输出不同分频频率的脉冲信号； 然后，根据实际需要提取其中的某一种或者某几种分频频率的脉冲信号进行组 合，以产生所需频率的脉冲信号。 采用上述产生任意频率脉冲的方法有时会出现提取出的某几种分频频率的脉冲 信号发生重叠的现象，为了进一步获得相互不重叠的脉冲信号，在利用计数器的不同计数 位对外部提供的时钟频率进行分频时，在计数器从O计数到最大值的一个计数周期内，让 计数器的每一个计数位仅在第一次跳变成1时输出一个脉冲信号。 再进一步的，为了确保脉冲信号能够按照合成后的频率准确输出，需要将所述所 需频率的脉冲信号的输出周期At设置成大于等于计数器的计数周期的值。 基于上述任意频率脉冲信号的产生方法，本专利技术又提供了一种步进电机的升降速 控制方法，包括以下步骤 (1)利用信号发生器外部提供的时钟控制信号发生器内部的计数器计数； (2)利用计数器的不同计数位对外部提供的时钟频率进行分频，并通过各计数位输出不同分频频率的脉冲信号； (3)根据步进电机启动加速或者制动减速时实际所需要的脉冲频率，提取其中的 某一种或者某几种分频频率的脉冲信号进行组合，以产生所需频率的脉冲信号，通过信号 发生器输出给步进电机，控制步进电机运转。 为了获得相互不重叠的脉冲信号，在利用计数器的不同计数位对外部提供的时钟 频率进行分频时，在计数器从O计数到最大值的一个计数周期内，计数器的每一个计数位 仅在第一次跳变成1时输出一个脉冲信号。 进一步的，所述信号发生器以At为周期输出步进电机所需频率的脉冲信号，所 述A t应大于等于计数器的计数周期，以保证提取出来的不同分频频率的脉冲信号能够正 常输出。 又进一步的，所述步进电机在启动阶段所需的控制频率由以下步骤获得 首先，根据实际应用中的负载来具体选择一台步进电机； 其次，采用测量法绘制出所述步进电机的牵入转矩曲线和牵出转矩曲线； 再次，结合实际应用中选定的具体负载，确定出负载转矩IY;并针对该负载测量出步进电机的启动频率^和稳定运行频率fH ; 然后，结合绘制出的牵入转矩曲线和牵出转矩曲线，求取步进电机启动频率^所 对应的牵出转矩与1Y的差值以及步进电机稳定运行频率fH所对应的牵出转矩与1Y的 差值TaH; 最后，利用公式 /(o=入+r。;(/:;A)(i-e—;)'"丄—Li/ 获得步进电机在启动过程中每一时刻所需的控制频率，并绘制出步进电机在启动 阶段的频率时间曲线图。 所述步进电机在制动阶段的频率时间曲线为启动阶段的频率时间曲线的反向曲 线，通过所述制动阶段的频率时间曲线获得步进电机在制动过程中每一时刻所需的控制频率。 再进一步的，将所述公式离散化，各离散点之间的时间间隔即表示为At，满足上 述对At的限制条件，则<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，m为划分出的离散点个数；将各离散点的频率值转化为以下频率组合公式 中对应的二进制数 <formula>formula see original document page 5</formula> 即确定(n+1)位计数器的各计数位ai(i = O，l，......， n)是0还是1 ;其中，f^为外部提供的时钟频率；将该组二进制数存入数组f中，在步进电机启动时，依次读取数 组f中的各组二进制数，以确定提取计数器中的哪些计数位输出的脉冲信号参与频率合 成；在步进电机制动时，反向依次读取数组fw中的各组二进制数，合成步进电机制动阶段 所需频率的脉冲信号。 更进一步的，所述计数器设置有两个，一个用于一级分频的p位计数器和一个用于二级分频的q位计数器；所述P为f 。lk/2p > fH中的最大值；所述q为,,2" 2 /_中的最大值；其中，fmin为按照对步进电机的控制精度要求所确定的最小频率值。 与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果是本专利技术的任意频率脉冲信号产生方法克服了传统的只能产生整数分频值的脉冲信号的缺点，在精度上更符合实际要求。将所述方法应用于步进电机控制领域，同时将产生的脉冲值与步进电机在升降速时的实际频率时间曲线图相结合，以使得各个时间点上的脉冲值更符合实际运行轨迹，并且在启动和制动阶段对运行步数有一个精确的计算，从而能够避免步进电机在启动和制动阶段的失步和过冲现象。 结合附图阅读本专利技术实施方式的详细描述后，本专利技术的其他特点和优点将变得更 加清楚。附图说明 图1是本专利技术所提出的任意频率脉冲信号产生方法的设计原理图； 图2是步进电机的牵入转矩和牵出转矩的曲线图； 图3是步进电机在启动阶段的频率时间曲线图； 图4是控制步进电机运行的程序流程图； 图5是控制一台具体的步进电机从启动到稳定运行的频率时间曲线图。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细地描述。 实施例一，本实施例提出一种采用频率合成方法来产生任意频率脉冲信号的方 法，即对一定范围内的频率，通过一种特殊的分频方式产生互相不重叠的多种频率，再用一 定的组合方式来产生任意频率，使频率输出变得连续可调，进而来满足被控对象的不同频 率需求，其原理如图l所示。 本实施例利用目前绝大多数可编程器件内部都具有的计数器的不同计数位来输 出多种分频频率的脉冲信号，然后根据实际需要提取其中的某一种或者某几种分频频率的 脉冲信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生任意频率脉冲的方法，包括以下步骤：首先，利用外部提供的时钟控制计数器计数；其次，利用计数器的不同计数位对外部提供的时钟频率进行分频，并通过各计数位输出不同分频频率的脉冲信号；然后，根据实际需要提取其中的某一种或者某几种分频频率的脉冲信号进行组合，以产生所需频率的脉冲信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张立强，
申请(专利权)人：青岛朗讯科技通讯设备有限公司，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]