FPGA在直流電機(jī)位置控制中的應(yīng)用

摘要：由于直流電機(jī)具有速度易控制，精度和效率高，能在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械加工制造等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)計(jì)采用FPGA作為直流電機(jī)的控制器件，負(fù)責(zé)信號處理，速度快、可靠性高。介紹直流電機(jī)進(jìn)行位置控制的方法，給出位置控制模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，使用 VHDL語言進(jìn)行編程完成了FPGA對直流電機(jī)的各種控制。
關(guān)鍵詞：位置控制；直流電機(jī)；FPGA；VHDL

    在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量一般都是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制的目的是保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速在所需要的定值上。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械或者其他負(fù)載運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)不一定都是轉(zhuǎn)速，也可能是使生產(chǎn)機(jī)械或其機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的位置變化，這時(shí)需要的控制量就不再是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而是控制對象的直線位移，因此需將電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)換為電機(jī)的位移輸出。

1 電機(jī)位置控制模塊的設(shè)計(jì)
1．1 直流電機(jī)位置控制的方法
    在此，使用maxon直流電機(jī)，通過與其配套的行星齒輪箱和磁編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)從轉(zhuǎn)速到位移的轉(zhuǎn)換。其工作原理如下：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器開始輸出反饋脈沖，反饋脈沖的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，最高可達(dá)20 kHz。電機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器就輸出16個(gè)反饋脈沖，通過計(jì)算得出每個(gè)脈沖代表電機(jī)所帶負(fù)載產(chǎn)生0．006 14 mm的位移。這樣就可以把要控制的位移量用反饋脈沖的個(gè)數(shù)來表示，作為FPGA中位置控制模塊給定值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)PGA中的計(jì)數(shù)器會把反饋脈沖計(jì)數(shù)并保存，位置控制模塊不斷讀取計(jì)數(shù)器里的計(jì)數(shù)值，并與位置控制模塊中的給定值比較。當(dāng)它們相等的時(shí)候，位置控制模塊發(fā)出停止信號，從而控制電機(jī)剎車。電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)后，再讀取計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值，與給定值做比較，計(jì)算出差值。如果差值在控制精度范圍內(nèi)，則此次控制結(jié)束；如果不在范圍內(nèi)，將差值作為下一次控制的給定值，繼續(xù)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到要求的精度范圍為止。
1．2 位置控制模塊的組成
    位置控制模塊由3部分組成：比較模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和延時(shí)模塊。比較模塊的作用是將編碼器反饋的脈沖個(gè)數(shù)與給定的脈沖個(gè)數(shù)做比較，當(dāng)它們相等時(shí)，給出電機(jī)停止信號。驅(qū)動(dòng)模塊的作用是根據(jù)輸入的控制信號控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。延時(shí)模塊的作用是防止丟失反饋脈沖，確保準(zhǔn)確讀回編碼器反饋的脈沖個(gè)數(shù)。接下來將重點(diǎn)介紹各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)。
1．2．1 比較模塊
    圖1中，data_in[15．．O]為給定的反饋脈沖個(gè)數(shù)；EN為電機(jī)工作使能信號；inclk為工作時(shí)鐘；feedback[15．．0]為電機(jī)運(yùn)行時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值；stopinter為電機(jī)停止時(shí)的模塊內(nèi)部傳遞信號；“O”表示無效，“1”表示有效。比較模塊的工作原理如下：比較模塊在接收到給定值后，也就是根據(jù)要控制的位移量所計(jì)算出的反饋脈沖的個(gè)數(shù)，將其鎖存。在工作時(shí)鐘的作用下，模塊會不斷地檢測EN信號是否有效，如果EN信號有效，模塊將開始讀取反饋計(jì)數(shù)值，并與給定值做比較；如果相等，模塊認(rèn)為電機(jī)所帶負(fù)載的運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置，這時(shí)輸出的stopinter信號有效，控制電機(jī)剎車；否則 stopinter信號無效，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

    如圖2所示，假設(shè)給定的計(jì)數(shù)值為7。當(dāng)使能信號EN有效時(shí)，模塊開始讀端口feedback[15．．O]中的值(電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過磁編碼器反饋回來的脈沖個(gè)數(shù))，與data_in[15．．0]中給定的脈沖個(gè)數(shù)做比較。當(dāng)它們相等的時(shí)候，表示電機(jī)所帶的負(fù)載運(yùn)動(dòng)到了指定位置，此時(shí)stopinter信號有效，開始控制電機(jī)剎車并停止。

1．2．2 驅(qū)動(dòng)模塊
    圖3中，derect[1．．O]為電機(jī)的控制輸入信號；EN為電機(jī)工作使能信號，“0”表示無效，“1”表示有效；inclk為工作時(shí)鐘； stopinter為電機(jī)停止信號的模塊內(nèi)部傳遞信號；control_outA，control_outB為控制電機(jī)的輸出信號，這兩個(gè)控制信號直接連接電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)模塊的工作原理如下：

    在工作時(shí)鐘的作用下，驅(qū)動(dòng)模塊會不斷地檢測EN信號和stopinter信號是否有效，如果：EN有效，并且stopinter無效的時(shí)候，模塊的輸出 controi_outA，cont-orl_outB取決于電機(jī)控制輸入信號derect[1．．0]的狀態(tài)，當(dāng)derect[1．．0]為“01” 時(shí)，control_outA輸出為“0”；control_outB輸出為“1”，表示控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)derect[1．．0]為“10”時(shí)， control_outA輸出為“1”；con-trol_outB輸出為“O”，表示控制電機(jī)正轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)控制模塊一旦檢測到stop信號有效， control_outA和control_outB的輸出都為“O”，表示控制電機(jī)剎車并停止。在EN和stop信號都無效的時(shí)候， control_outA和con-trol_outB的輸出都為“1”，表示對電機(jī)不做任何控制。
    如圖4所示，當(dāng)EN和stopinter信號都為“0”時(shí)，模塊的輸出control_outA，contorl_outB都為“1”，對電機(jī)不做任何控制。當(dāng)EN信號變?yōu)椤?”時(shí)，表示電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，模塊的輸出control_outA為“O”，Contorl_outB為“1”，與direction [1．．0]中的值“01”相同，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)stopinter信號變?yōu)椤?”時(shí)，模塊的輸出control_outA為“O”； contorl_outB也為“O”，此時(shí)電機(jī)剎車并停止。當(dāng)EN信號為“1”，stopinter信號再次為“0”時(shí)，電機(jī)再次開始運(yùn)動(dòng)，模塊的輸出 control_outA為“1”；con-torl_outB為“0”，與direction[1．．O]中的值“10”相同，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。
1．2．3 延時(shí)模塊
    圖4中，EN為延時(shí)的使能信號，也就是計(jì)數(shù)比較模塊的輸出信號stopinter；inclk為工作時(shí)鐘；stop為電機(jī)停止信號對外部的輸出信號。延時(shí)模塊(如圖5所示)的工作原理如下：當(dāng)延時(shí)模塊檢測到stopinter信號為“1”時(shí)，模塊內(nèi)的計(jì)數(shù)器開始工作，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘即模塊的工作時(shí)鐘10 kHz，當(dāng)記滿300后，模塊輸出信號為“1”。延時(shí)模塊檢測到stopinter信號為“0”時(shí)，模塊內(nèi)計(jì)數(shù)器不工作，模塊輸出信號為“0”。

    當(dāng)電機(jī)剎車時(shí)，由于存在慣性，電機(jī)不會立即停止，會有一段滑行的過程，在這個(gè)過程中，電機(jī)仍然會通過磁編碼器返回反饋脈沖，只是因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速下降，反饋脈沖的頻率大大降低。當(dāng)stopinter信號變?yōu)椤?”時(shí)，電機(jī)開始剎車，如果此時(shí)立刻讀取feedback[15．．O]端口上的反饋脈沖數(shù)值，計(jì)算出電機(jī)所帶負(fù)載的位置，那么必然會丟失掉滑行過程中的反饋脈沖。這樣就會導(dǎo)致讀回的反饋脈沖數(shù)與實(shí)際電機(jī)返回的反饋脈沖數(shù)不相等，從而嚴(yán)重地影響控制精度，所以必須在stopinter信號變?yōu)椤?”后，延長一段時(shí)間，確保電機(jī)停止不動(dòng)后，再給出STOPTEST信號，作為讀取反饋脈沖數(shù)值的有效信號，這時(shí)用讀回的反饋脈沖數(shù)值計(jì)算出負(fù)載的實(shí)際位置是準(zhǔn)確的。
    通過實(shí)驗(yàn)，在電機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，讓電機(jī)剎車，用邏輯分析儀抓出反饋脈沖的波形，找出反饋脈沖頻率開始突然下降直到反饋脈沖消失的那段時(shí)間，就是所需要的延時(shí)。通過反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試出這段時(shí)間為30 ms，其間的反饋脈沖個(gè)數(shù)為20個(gè)。因此把要控制的位移量換算成反饋脈沖的個(gè)數(shù)后，用這個(gè)值減去20作為比較模塊給定值，就可以抵消滑行過程中增加的20 個(gè)脈沖。這樣對電機(jī)的控制能夠達(dá)到一次到位，不需要進(jìn)行再次調(diào)節(jié)。延時(shí)模塊仿真圖如圖6所示。

2 結(jié) 語
    現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件體積小、速度快、集成度高，能夠用硬件電路來實(shí)現(xiàn)算法。使用FPGA控制電機(jī)，能夠保證控制的實(shí)時(shí)性和可靠性。它作為一種有效的數(shù)字化控制方法必將廣泛地為人們所接受和使用。