專利名稱：：產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法以及步進電機的升降速控制方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于電機控制
技術領域：
，具體地說，是涉及一種產(chǎn)生任意頻率脈沖信號的方法以及基于該方法設計的步進電機升降速控制方法。
背景技術：
：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構。當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號后，就驅(qū)動步進電機按照設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為"步距角")。步進電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。在非超載的情況下，步進電動機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。因此，在啟動時，若提供的頻率過高，會使步進電機發(fā)生失步現(xiàn)象而不能正常啟動；停止時，若頻率突然降為零，則會使步進電機發(fā)生過沖現(xiàn)象而導致精度的降低。傳統(tǒng)的速度控制策略是勻加減速控制，無法使步進電機的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)地過渡到穩(wěn)速運行狀態(tài)，因而不適用于動態(tài)性能要求較嚴格的場合。傳統(tǒng)的控制器件多采用單片機，由于單片機是一種非并行執(zhí)行的器件，各信號之間的同步性將受到一定的影響，軟件編程實現(xiàn)速度控制也較為繁瑣。針對步進電動機的升降速控制問題，理論上指數(shù)型曲線控制方法較好。但是，在產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的脈沖方面仍然存在困難。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以產(chǎn)生任意頻率脈沖信號的方法，應用于實際被控對象，可以提高控制精度，使被控對象能夠按照理想曲線運行。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)—種產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法，包括以下步驟首先，利用外部提供的時鐘控制計數(shù)器計數(shù)；其次，利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻，并通過各計數(shù)位輸出不同分頻頻率的脈沖信號；然后，根據(jù)實際需要提取其中的某一種或者某幾種分頻頻率的脈沖信號進行組合，以產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號。采用上述產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法有時會出現(xiàn)提取出的某幾種分頻頻率的脈沖信號發(fā)生重疊的現(xiàn)象，為了進一步獲得相互不重疊的脈沖信號，在利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻時，在計數(shù)器從O計數(shù)到最大值的一個計數(shù)周期內(nèi)，讓計數(shù)器的每一個計數(shù)位僅在第一次跳變成1時輸出一個脈沖信號。再進一步的，為了確保脈沖信號能夠按照合成后的頻率準確輸出，需要將所述所需頻率的脈沖信號的輸出周期At設置成大于等于計數(shù)器的計數(shù)周期的值?；谏鲜鋈我忸l率脈沖信號的產(chǎn)生方法，本發(fā)明又提供了一種步進電機的升降速控制方法，包括以下步驟(1)利用信號發(fā)生器外部提供的時鐘控制信號發(fā)生器內(nèi)部的計數(shù)器計數(shù)；(2)利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻，并通過各計數(shù)位輸出不同分頻頻率的脈沖信號；(3)根據(jù)步進電機啟動加速或者制動減速時實際所需要的脈沖頻率，提取其中的某一種或者某幾種分頻頻率的脈沖信號進行組合，以產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號，通過信號發(fā)生器輸出給步進電機，控制步進電機運轉(zhuǎn)。為了獲得相互不重疊的脈沖信號，在利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻時，在計數(shù)器從O計數(shù)到最大值的一個計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的每一個計數(shù)位僅在第一次跳變成1時輸出一個脈沖信號。進一步的，所述信號發(fā)生器以At為周期輸出步進電機所需頻率的脈沖信號，所述At應大于等于計數(shù)器的計數(shù)周期，以保證提取出來的不同分頻頻率的脈沖信號能夠正常輸出。又進一步的，所述步進電機在啟動階段所需的控制頻率由以下步驟獲得首先，根據(jù)實際應用中的負載來具體選擇一臺步進電機；其次，采用測量法繪制出所述步進電機的牽入轉(zhuǎn)矩曲線和牽出轉(zhuǎn)矩曲線；再次，結(jié)合實際應用中選定的具體負載，確定出負載轉(zhuǎn)矩IY;并針對該負載測量出步進電機的啟動頻率^和穩(wěn)定運行頻率fH;然后，結(jié)合繪制出的牽入轉(zhuǎn)矩曲線和牽出轉(zhuǎn)矩曲線，求取步進電機啟動頻率^所對應的牽出轉(zhuǎn)矩與1Y的差值以及步進電機穩(wěn)定運行頻率fH所對應的牽出轉(zhuǎn)矩與1Y的差值TaH;最后，利用公式/(o=入+r。;(/:;A)(i-e—;)'"丄—Li/獲得步進電機在啟動過程中每一時刻所需的控制頻率，并繪制出步進電機在啟動階段的頻率時間曲線圖。所述步進電機在制動階段的頻率時間曲線為啟動階段的頻率時間曲線的反向曲線，通過所述制動階段的頻率時間曲線獲得步進電機在制動過程中每一時刻所需的控制頻率。再進一步的，將所述公式離散化，各離散點之間的時間間隔即表示為At，滿足上述對At的限制條件，則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，m為劃分出的離散點個數(shù)；將各離散點的頻率值轉(zhuǎn)化為以下頻率組合公式中對應的二進制數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>即確定(n+1)位計數(shù)器的各計數(shù)位ai(i=O，l，......，n)是0還是1;其中，f^為外部提供的時鐘頻率；將該組二進制數(shù)存入數(shù)組f[m]中，在步進電機啟動時，依次讀取數(shù)組f[m]中的各組二進制數(shù)，以確定提取計數(shù)器中的哪些計數(shù)位輸出的脈沖信號參與頻率合成；在步進電機制動時，反向依次讀取數(shù)組fw中的各組二進制數(shù)，合成步進電機制動階段所需頻率的脈沖信號。更進一步的，所述計數(shù)器設置有兩個，一個用于一級分頻的p位計數(shù)器和一個用于二級分頻的q位計數(shù)器；所述P為f。lk/2p>fH中的最大值；所述q為,,2"2/_中的最大值；其中，fmin為按照對步進電機的控制精度要求所確定的最小頻率值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明的任意頻率脈沖信號產(chǎn)生方法克服了傳統(tǒng)的只能產(chǎn)生整數(shù)分頻值的脈沖信號的缺點，在精度上更符合實際要求。將所述方法應用于步進電機控制領域，同時將產(chǎn)生的脈沖值與步進電機在升降速時的實際頻率時間曲線圖相結(jié)合，以使得各個時間點上的脈沖值更符合實際運行軌跡，并且在啟動和制動階段對運行步數(shù)有一個精確的計算，從而能夠避免步進電機在啟動和制動階段的失步和過沖現(xiàn)象。結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實施方式的詳細描述后，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將變得更加清楚。圖1是本發(fā)明所提出的任意頻率脈沖信號產(chǎn)生方法的設計原理圖；圖2是步進電機的牽入轉(zhuǎn)矩和牽出轉(zhuǎn)矩的曲線圖；圖3是步進電機在啟動階段的頻率時間曲線圖；圖4是控制步進電機運行的程序流程圖；圖5是控制一臺具體的步進電機從啟動到穩(wěn)定運行的頻率時間曲線圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細地描述。實施例一，本實施例提出一種采用頻率合成方法來產(chǎn)生任意頻率脈沖信號的方法，即對一定范圍內(nèi)的頻率，通過一種特殊的分頻方式產(chǎn)生互相不重疊的多種頻率，再用一定的組合方式來產(chǎn)生任意頻率，使頻率輸出變得連續(xù)可調(diào)，進而來滿足被控對象的不同頻率需求，其原理如圖l所示。本實施例利用目前絕大多數(shù)可編程器件內(nèi)部都具有的計數(shù)器的不同計數(shù)位來輸出多種分頻頻率的脈沖信號，然后根據(jù)實際需要提取其中的某一種或者某幾種分頻頻率的脈沖信號進行組合，以產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號。由于通過計數(shù)器的不同計數(shù)位只能輸出基于外部提供時鐘頻率f。lk的偶數(shù)的分頻頻率的脈沖信號，比如對于n+1位計數(shù)器來說，第0位計數(shù)位a。輸出外部提供時鐘頻率的2分頻脈沖信號，即fclk/2;第1位計數(shù)位&輸出4分頻的脈沖信號，即f。lk/22;以此類推，第n位計數(shù)位a。輸出2n+1分頻的脈沖信號，即fdk/2n+1。為了保證通過計數(shù)器的不同計數(shù)位輸出的頻率脈沖互相之間不重疊，可以遵循如表1所示的原則，即在每一個分頻位第一次跳變成1時就輸出該位對應的頻率分量。也就是說，在一個計數(shù)周期內(nèi)(即計數(shù)器從0計數(shù)到最大值的期間)，計數(shù)器的每一個計數(shù)位第一次跳變成1時輸出一個脈沖信號。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>表1產(chǎn)生互相不重疊的頻率脈沖的原則表以4位計數(shù)器為例進行說明，計數(shù)器接收到一個時鐘脈沖就進行加1計數(shù)，計數(shù)過程參見表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2當a。為"l"時，a。位輸出"l"，即輸出一個脈沖；否則輸出"0"，即不輸出脈沖;當aia。為"10"時，ai位輸出"1"，否則輸出"0";當a2aia。為"100"時，a2位輸出"l"，否則輸出"0";當a3a2aia。為"1000"時，a3位輸出"1"，否則輸出"0"。這些用程序語言是完全可以實現(xiàn)的，并且保證了互相之間不重疊。頻率合成的本質(zhì)就是調(diào)整單位時間At內(nèi)的脈沖個數(shù)。在這里，所述At應大于計數(shù)器的計數(shù)周期。在獲得了這些互相不重疊的脈沖信號后，采用如下的頻率組合公式來合成所需頻率的脈沖信號<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(1)從式(1)可以看出n+l位計數(shù)器的第0位對應的是2分頻；第1位對應的是4分頻；以此類推，第n位對應的是2n+1分頻。通過設定a。到an的值為0或1來決定是否選取對應的頻率來參與合成。應用到實際，也就是通過設定每一個單位時間At內(nèi)需要對計數(shù)器的哪一位或者哪幾位輸出的脈沖信號進行提取來實現(xiàn)單位時間內(nèi)的頻率合成，以獲得所需任意頻率的脈沖信號。實際設計過程中，可以針對每一個單位時間At所需的頻率值，利用頻率組合公式(1)轉(zhuǎn)化為對應的二進制數(shù)，即確定計數(shù)器的各計數(shù)位是0還是1，然后將這組二進制數(shù)保存到數(shù)組中，供后續(xù)提取相應計數(shù)位輸出的脈沖信號進行頻率合成時使用。下面以步進電機為例，詳細闡述所述任意頻率脈沖信號產(chǎn)生方法在步進電機轉(zhuǎn)速控制方面的具體應用設計。實施例二，目前的步進電機在啟動和制動階段，其頻率時間曲線遵循一種指數(shù)型曲線增長和下降關系，如圖3所示為步進電機啟動階段的指數(shù)型增長曲線，步進電機制動階段的指數(shù)型下降曲線即圖3所示曲線的反過程。為了控制步進電機在啟動和制動階段能夠使得輸入的驅(qū)動脈沖信號滿足圖3所示的曲線關系，首先需要按照選定的步進電機繪制出該步進電機在啟動過程的頻率時間曲線圖，即類似圖3所示的曲線。所述的步進電機在啟動時的頻率時間曲線圖的繪制基于以下原理步進電機帶動負載運行時的運行方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中Tm為電磁轉(zhuǎn)矩；JM為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg*Cm2;丄為負載的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg，cm2;"=2Jin為步進電機的步進角速度，單位為rad/s;D為粘性摩擦系數(shù)，單位為kg7s，一般很小，可以忽略不計；1Y為負載轉(zhuǎn)矩。步進電機的轉(zhuǎn)速公式為n=f9s/360°(r/s)(3)其中，93為步進電機的步距角。將式(3)代入式(2)，整理得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)式(4)中J=JM+1，為總的轉(zhuǎn)動慣量；Ta=Tm-1Y，為加速時的加速轉(zhuǎn)矩。為求得脈沖頻率f與時間t的函數(shù)關系，還涉及到一個加速轉(zhuǎn)矩Ta，它的求法可以從圖2中的牽入轉(zhuǎn)矩(曲線1)和牽出轉(zhuǎn)矩(曲線2)之間的關系著手，用近似法(即將牽出轉(zhuǎn)矩特性曲線線性化)獲得。圖2中的^為啟動頻率；fH為穩(wěn)定運行頻率，f。為牽入轉(zhuǎn)矩為零時的頻率值；f為f。與fH之間的任意頻率值；由圖l可知,g"=^f—，所以，近似求得(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>采用該方法的前提條件是對于具體的負載，已經(jīng)選定了一種特定型號的步進電機，因此es、J、1Y都是確定的。用測量法可求得圖2中兩條轉(zhuǎn)矩曲線，則圖2中相應的各個值，如L和L就都可求得。將式(5)代入式(4)中，初始條件為t二0時、f=^，可解得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，時間常數(shù)r為"《///-/丄<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>因此，從^加速到4所需的時間為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>從式(7)可以清楚地看出脈沖頻率與時間的關系是呈現(xiàn)指數(shù)型關系增長的，如圖3所示。由于步進電機在啟動階段的頻率時間曲線呈指數(shù)型關系增長，因此，為了驅(qū)動步進電機能夠按照理想狀態(tài)平穩(wěn)過渡到穩(wěn)速運行狀態(tài)，需要產(chǎn)生圖3中指數(shù)型曲線中任意一點的頻率值，即具有該頻率的脈沖信號作用于步進電機的驅(qū)動器，以實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動控制。由此，便需要提出一種能夠產(chǎn)生任意頻率脈沖信號的方法來對步進電機的啟動和制動過程進行控制?；诖?，本實施例將實施例一所提出的任意頻率脈沖信號產(chǎn)生方法應用于對步進電機的升降速驅(qū)動控制過程中。目前能夠輸出脈沖信號的信號發(fā)生器有很多種，比如單片機、CPLD等。由于單片機是一種非并行執(zhí)行器件，且軟件編程實現(xiàn)脈沖頻率控制也較為復雜，因此，本實施例優(yōu)選采用以VHDL為設計手段，以復雜可編程邏輯器件CPLD為目標載體，通過離散逼近方式生成步進電機所需的任意頻率的脈沖信號。VHDL的英文全稱是VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)HardwareDescriptionLanguage,即超高速集成電路硬件描述語言。通俗來講，就是用來編寫可編程邏輯器件的語言，用于描述邏輯電路。借助CPLD內(nèi)部計數(shù)器的不同計數(shù)位來輸出各種偶數(shù)的分頻頻率，然后根據(jù)圖3所示的指數(shù)型曲線計算出每一時刻所需的頻率值，由該頻率值確定選擇將計數(shù)器的哪些位輸出的脈沖信號進行提取，以合并形成該頻率值的脈沖信號。將每一時刻參與頻率合成的計數(shù)器位保存到存儲器中，以供日后實際控制步進電機啟動運轉(zhuǎn)時調(diào)用，即可達到控制步進電機按照理想軌跡啟動的設計要求。在步進電機制動過程中，只要反向調(diào)取存儲器中保存的這些參數(shù)，即可控制步進電機按照理想的指數(shù)軌跡平穩(wěn)制動。具體實現(xiàn)方法如下假設外部提供的時鐘頻率為fdk，步進電機的啟動頻率為^，穩(wěn)定運行頻率為fH。在選用計數(shù)器分頻時，要注意對精度的要求，n位計數(shù)器所能實現(xiàn)的最小分頻值為f。lk/2n。理論上，該值越小，最終的合成頻率將越逼近于指數(shù)型曲線上所離散出的某點的值。步進電動機的轉(zhuǎn)速從啟動頻率^加速到穩(wěn)定運行頻率fH用時為t，將這段時間離散化為m個點，則每段的時間為At=t/m。因為CPLD器件的工作頻率為外部提供的時鐘頻率fdk，因此離散點之間的時間間隔At不能小于計數(shù)器的計數(shù)周期，S卩At>(2M)/f。lk。至于最大的時間間隔At(即實施例一中所述的單位時間)，可根據(jù)實際需要自己確定。但是，時間間隔At過大會無法保證離散出來的各點能夠很好地恢復出原指數(shù)型曲線。因此，為了比較好的逼近原曲線，建議該值不要太大。結(jié)合公式(6)，每個離散點對應的頻率值為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>將這些頻率值轉(zhuǎn)化為頻率組合公式(1)中對應的二進制數(shù)，即確定計數(shù)器的各位是0還是l，將這組二進制數(shù)存入數(shù)組f^中。在各個時間間隔At內(nèi)運行的步數(shù)為Nm二[fmAt]，[]表示取整，按照四舍五入的原則。將所有離散化的頻率值之間的步數(shù)值存入另一個數(shù)組N^中。則在整個加速期間運行的總步數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>在步進電機啟動時，依次讀取數(shù)組fw中的各組二進制數(shù)，確定提取計數(shù)器中的哪些位輸出的脈沖信號參與頻率合成，進而將合成后的脈沖信號輸出至步進電機的控制器，驅(qū)動步進電機按照指數(shù)型曲線穩(wěn)步啟動，直到穩(wěn)定運行；在步進電機制動時，反向依次讀取數(shù)組fw中的各組二進制數(shù)，合成降速曲線所需的各點脈沖頻率，以實現(xiàn)控制步進電機穩(wěn)步制動到停止運行。通過指數(shù)曲線離散出的頻率值已經(jīng)嚴格符合了按指數(shù)規(guī)律增長的特點，毫無疑問，當步進電動機按照這樣的頻率運轉(zhuǎn)時，效果是最佳的。在實際運行中，該部分的控制方法可以采用如圖4所示的流程圖來表示，具體包括以下步驟S401、系統(tǒng)復位；在此過程中，可以對程序中需要使用的各變量進行定義和賦值，比如為啟動和制動階段的離散點m賦值，置變速標志為勻速標志等；S402、判斷變速標志，若為加速標志，則執(zhí)行步驟S403;若為減速標志，則執(zhí)行步驟S408;若為勻速標志，則保持當前頻率輸出脈沖信號，控制步進電機勻速運行，重復執(zhí)行該步驟；在這里，若用戶發(fā)出啟動指令，則置變速標志為加速標志；若用戶發(fā)出制動指令，則置變速標志為減速標志；S403、置i=1，K=0;S404、設置輸出脈沖信號的頻率f=fw，即讀取寄存器中數(shù)組f^中的第i組的各二進制數(shù)，提取該二進制數(shù)中"1"所對應的計數(shù)器位輸出的脈沖信號進行頻率合成；S405、判斷K是否等于Nw，即判斷步進電機是否運轉(zhuǎn)了數(shù)組N^中記載的Nw步，也就是判斷是否輸出了Nw個脈沖；若是，則執(zhí)行下一步；否則，返回步驟S404繼續(xù)執(zhí)行；S406、判斷i是否小于m;若是，則置K二0，i=i+l，返回步驟S404;否則，執(zhí)行下少；S407、保持當前頻率輸出脈沖信號，控制步進電機勻速運行，并置變速標志為勻速標志，返回步驟S402;S408、置i=m，K=0;S409、設置輸出脈沖信號的頻率f=fw，即讀取寄存器中數(shù)組f^中的第i組的各二進制數(shù)，提取該二進制數(shù)中"1"所對應的計數(shù)器位輸出的脈沖信號進行頻率合成；S410、判斷K是否等于Nu]，即判斷步進電機是否運轉(zhuǎn)了數(shù)組N[m]中記載的Nw步，也就是判斷是否輸出了Nw個脈沖；若是，則執(zhí)行下一步；否則，返回步驟S409繼續(xù)執(zhí)行；S411、判斷i是否小于等于l;若是，則執(zhí)行下一步；否則，置K二O，i=i-l，返回步驟S409;S412、停止輸出脈沖信號，即置輸出脈沖信號的頻率f=0;S413、程序結(jié)束。在實際應用過程中，需要考慮CPLD硬件內(nèi)部的資源問題。外部提供的時鐘頻率fdk通常都很大，只采用1個計數(shù)器進行分頻來獲得任意頻率的脈沖信號將要求計數(shù)器有很多位，位數(shù)過多的計數(shù)器將占用較多的硬件資源。因此，本實施例提出采用以下方法來選擇計數(shù)器，以節(jié)省CPLD內(nèi)部的硬件資源首先，使用1個計數(shù)器對外部提供的時鐘頻率為fdk進行簡單的一級分頻，使分頻后的結(jié)果盡量接近于穩(wěn)定運行頻率fH。該計數(shù)器的位數(shù)P需要滿足的條件是f。lk/2p>fH中的最大值。經(jīng)過一級分頻后的頻率值變?yōu)閒dk/2P，在此基礎上進行二級分頻，來獲得任意頻率的脈沖，若根據(jù)步進電機的控制精度確定的最小頻率值為f^，則用于二級分頻的計數(shù)器的位數(shù)q應滿足的條件是^f/2《2/^中的最大值。舉例說明若只要求最小頻率值分頻到12Hz之間，用于二級分頻的計數(shù)器的位數(shù)q所滿足的條件是*/2《"中的最大值。在此基礎上將計數(shù)器的位數(shù)增加到q+l，可獲得精度為0.51Hz之間的頻率值；若將計數(shù)器位數(shù)增加到q+3可獲得精度為0.1250.25Hz之間的頻率值，若想獲得更高精度的頻率值可繼續(xù)增加計數(shù)器的位數(shù)。若采用多個計數(shù)器共同參與分頻，則離散點之間的時間間隔At不能小于計數(shù)器的總計數(shù)周期，即At^M/fdk，M由共同參與分頻的所有計數(shù)器確定。比如采用一個p位計數(shù)器和一個q位計數(shù)器共同參與分頻時，則M=(2P_1)X(29_1)，以此類推。下面給出一個具體的應用實例。首先根據(jù)實際應用中的負載來選擇一個合適的步進電機。為了繪制出這個步進電機的牽入轉(zhuǎn)矩曲線和牽出轉(zhuǎn)矩曲線，需要一組大小不同的負載，從小到大，在每一個負載下(每一個負載對應一個負載轉(zhuǎn)矩)，都會對應一個步進電機的最低啟動頻率^和最高穩(wěn)定運行頻率f"采用測量方法即可繪制出牽入和牽出轉(zhuǎn)矩曲線圖。結(jié)合實際應用中選定的具體負載，確定出負載轉(zhuǎn)矩1Y。在求取T化和T^時，將縱軸轉(zhuǎn)矩定位在1Y處，然后依據(jù)繪制出來的牽入和牽出轉(zhuǎn)矩曲線圖來求取T^和T^，進而可以比較精確地繪制出如圖5中實線所示的頻率時間(f/t)的關系圖。假設外部提供的時鐘頻率為1.049MHz，所以一級分頻時可采用一個10位計數(shù)器實現(xiàn)。若要求精確到l2Hz之間時，則二級分頻可采用另外一個10位計數(shù)器實現(xiàn)。利用公式(7)可以計算出步進電機從啟動頻率^=600Hz加速到穩(wěn)定運行頻率fH=1000Hz的用時大約為0.48s，從這段時間中均勻離散化出22個點，即m二22。利用公式(8)產(chǎn)生這22個點對應的頻率值。因為存在精度問題，所以最終產(chǎn)生的值與實際離散出的值存在差異。圖5中實線附近的離散點值即為通過公式(8)產(chǎn)生的頻率值。為了驗證步進電機按照這種頻率運行時的軌跡與理論上的軌跡的偏差，本實施例對這些離散點的頻率值利用B樣條曲線擬合的方式進行擬合，結(jié)果如圖5中虛線所示。由圖5可以看出，脈沖連續(xù)可調(diào)的軟件方法所產(chǎn)生的脈沖能較好地逼近理論上的指數(shù)型曲線，但在低頻的時候逼近的效果不是很理想，主要是因為此時頻率變化較快，實際中可通過增加離散點的方法來解決該問題。當然，以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式而已，應當指出的是，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。權利要求一種產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法，包括以下步驟首先，利用外部提供的時鐘控制計數(shù)器計數(shù)；其次，利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻，并通過各計數(shù)位輸出不同分頻頻率的脈沖信號；然后，根據(jù)實際需要提取其中的某一種或者某幾種分頻頻率的脈沖信號進行組合，以產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號。2.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法，其特征在于在利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻時，在計數(shù)器從0計數(shù)到最大值的一個計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的每一個計數(shù)位僅在第一次跳變成1時輸出一個脈沖信號。3.根據(jù)權利要求2所述的產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法，其特征在于所述所需頻率的脈沖信號的輸出周期為At，所述At大于等于計數(shù)器的計數(shù)周期。4.一種步進電機的升降速控制方法，包括以下步驟(1)利用信號發(fā)生器外部提供的時鐘控制信號發(fā)生器內(nèi)部的計數(shù)器計數(shù)；(2)利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻，并通過各計數(shù)位輸出不同分頻頻率的脈沖信號；(3)根據(jù)步進電機啟動加速或者制動減速時實際所需要的脈沖頻率，提取其中的某一種或者某幾種分頻頻率的脈沖信號進行組合，以產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號，通過信號發(fā)生器輸出給步進電機，控制步進電機運轉(zhuǎn)。5.根據(jù)權利要求4所述的步進電機的升降速控制方法，其特征在于在利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻時，在計數(shù)器從0計數(shù)到最大值的一個計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的每一個計數(shù)位僅在第一次跳變成1時輸出一個脈沖信號。6.根據(jù)權利要求5所述的步進電機的升降速控制方法，其特征在于所述信號發(fā)生器以At為周期輸出步進電機所需頻率的脈沖信號，所述At大于等于計數(shù)器的計數(shù)周期。7.根據(jù)權利要求4至6中任一項所述的步進電機的升降速控制方法，其特征在于所述步進電機在啟動階段所需的控制頻率由以下步驟獲得首先，根據(jù)實際應用中的負載來具體選擇一臺步進電機；其次，采用測量法繪制出所述步進電機的牽入轉(zhuǎn)矩曲線和牽出轉(zhuǎn)矩曲線；再次，結(jié)合實際應用中選定的具體負載，確定出負載轉(zhuǎn)矩TY;并針對該負載測量出步進電機的啟動頻率^和穩(wěn)定運行頻率fH;然后，結(jié)合繪制出的牽入轉(zhuǎn)矩曲線和牽出轉(zhuǎn)矩曲線，求取步進電機啟動頻率^所對應的牽出轉(zhuǎn)矩與1Y的差值以及步進電機穩(wěn)定運行頻率fH所對應的牽出轉(zhuǎn)矩與1Y的差值最后，利用公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>獲得步進電機在啟動過程中每一時刻所需的控制頻率，并繪制出步進電機在啟動階段的頻率時間曲線圖。8.根據(jù)權利要求7所述的步進電機的升降速控制方法，其特征在于所述步進電機在制動階段的頻率時間曲線為啟動階段的頻率時間曲線的反向曲線，通過所述制動階段的頻率時間曲線獲得步進電機在制動過程中每一時刻所需的控制頻率。9.根據(jù)權利要求8所述的步進電機的升降速控制方法，其特征在于將所述公式離散化，各離散點之間的時間間隔即為At，則乙<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，m為離散點的總個數(shù)；將各離散點的頻率值轉(zhuǎn)化為以下頻率組合公式中對應的二進制數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>即確定(n+l)位計數(shù)器的各計數(shù)位ai(i=0，1，......，n)是0還是1;其中，f。lk為外部提供的時鐘頻率；將該組二進制數(shù)存入數(shù)組f[m]中，在步進電機啟動時，依次讀取數(shù)組f[m]中的各組二進制數(shù)，以確定提取計數(shù)器中的哪些計數(shù)位輸出的脈沖信號參與頻率合成；在步進電機制動時，反向依次讀取數(shù)組fw中的各組二進制數(shù)，合成步進電機制動階段所需頻率的脈沖信號。10.根據(jù)權利要求9所述的步進電機的升降速控制方法，其特征在于所述計數(shù)器設置有兩個，一個P位計數(shù)器和一個q位計數(shù)器；所述P為f。lk/2p>fH中的最大值；所述q為,/23》厶,n中的最大值；其中，fmim為按照對步進電機的控制精度要求所確定的最小頻率值。全文摘要本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生任意頻率脈沖的方法以及步進電機的升降速控制方法，首先，利用外部提供的時鐘控制計數(shù)器計數(shù)；其次，利用計數(shù)器的不同計數(shù)位對外部提供的時鐘頻率進行分頻，并通過各計數(shù)位輸出不同分頻頻率的脈沖信號；然后，根據(jù)實際需要提取其中的某一種或者某幾種分頻頻率的脈沖信號進行組合，以產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的只能產(chǎn)生整數(shù)分頻值的脈沖信號的缺點，在精度上更符合實際要求。用于步進電機控制領域，同時將產(chǎn)生的脈沖值與步進電機在升降速時的實際頻率時間曲線圖相結(jié)合，可以使得各個時間點上的脈沖值更符合實際運行軌跡，從而能夠避免步進電機在啟動和制動階段的失步和過沖現(xiàn)象。文檔編號H02P8/36GK101710814SQ200910260108公開日2010年5月19日申請日期2009年12月25日優(yōu)先權日2009年12月25日發(fā)明者張立強申請人:青島朗訊科技通訊設備有限公司