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[導(dǎo)讀]摘要:由于直流電機具有速度易控制,精度和效率高,能在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械加工制造等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)計采用FPGA作為直流電機的控制器件,負責信號處理,速度快、可靠性高。介紹直流

摘要:由于直流電機具有速度易控制,精度和效率高,能在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械加工制造等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)計采用FPGA作為直流電機的控制器件,負責信號處理,速度快、可靠性高。介紹直流電機進行位置控制的方法,給出位置控制模塊的設(shè)計和實現(xiàn),使用 VHDL語言進行編程完成了FPGA對直流電機的各種控制。

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

1 電機位置控制模塊的設(shè)計

1.1 直流電機位置控制的方法

在此,使用maxon直流電機,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:電機轉(zhuǎn)動時,編碼器開始輸出反饋脈沖,反饋脈沖的頻率與電機的轉(zhuǎn)速成正比,最高可達20 kHz。電機軸每旋轉(zhuǎn)一圈,編碼器就輸出16個反饋脈沖,通過計算得出每個脈沖代表電機所帶負載產(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數(shù)來表示,作為FPGA中位置控制模塊給定值,當電機轉(zhuǎn)動時,F(xiàn)PGA中的計數(shù)器會把反饋脈沖計數(shù)并保存,位置控制模塊不斷讀取計數(shù)器里的計數(shù)值,并與位置控制模塊中的給定值比較。當它們相等的時候,位置控制模塊發(fā)出停止信號,從而控制電機剎車。電機停止運動后,再讀取計數(shù)器中的計數(shù)值,與給定值做比較,計算出差值。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)控制電機運動,直至達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)動模塊和延時模塊。比較模塊的作用是將編碼器反饋的脈沖個數(shù)與給定的脈沖個數(shù)做比較,當它們相等時,給出電機停止信號。驅(qū)動模塊的作用是根據(jù)輸入的控制信號控制電機的運動。延時模塊的作用是防止丟失反饋脈沖,確保準確讀回編碼器反饋的脈沖個數(shù)。接下來將重點介紹各個模塊的具體實現(xiàn)。

1.2.1 比較模塊

圖1中,data_in[15..O]為給定的反饋脈沖個數(shù);EN為電機工作使能信號;inclk為工作時鐘;feedback[15..0]為電機運行時計數(shù)器的計數(shù)值;stopinter為電機停止時的模塊內(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算出的反饋脈沖的個數(shù),將其鎖存。在工作時鐘的作用下,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數(shù)值,并與給定值做比較;如果相等,模塊認為電機所帶負載的運動到達指定位置,這時輸出的stopinter信號有效,控制電機剎車;否則 stopinter信號無效,電機繼續(xù)運動。


如圖2所示,假設(shè)給定的計數(shù)值為7。當使能信號EN有效時,模塊開始讀端口feedback[15..O]中的值(電機運行時通過磁編碼器反饋回來的脈沖個數(shù)),與data_in[15..0]中給定的脈沖個數(shù)做比較。當它們相等的時候,表示電機所帶的負載運動到了指定位置,此時stopinter信號有效,開始控制電機剎車并停止。


1.2.2 驅(qū)動模塊

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

在工作時鐘的作用下,驅(qū)動模塊會不斷地檢測EN信號和stopinter信號是否有效,如果:EN有效,并且stopinter無效的時候,模塊的輸出 controi_outA,cont-orl_outB取決于電機控制輸入信號derect[1..0]的狀態(tài),當derect[1..0]為“01” 時,control_outA輸出為“0”;control_outB輸出為“1”,表示控制電機反轉(zhuǎn)。當derect[1..0]為“10”時, control_outA輸出為“1”;con-trol_outB輸出為“O”,表示控制電機正轉(zhuǎn)。驅(qū)動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”,表示控制電機剎車并停止。在EN和stop信號都無效的時候, control_outA和con-trol_outB的輸出都為“1”,表示對電機不做任何控制。

如圖4所示,當EN和stopinter信號都為“0”時,模塊的輸出control_outA,contorl_outB都為“1”,對電機不做任何控制。當EN信號變?yōu)椤?”時,表示電機開始運動,模塊的輸出control_outA為“O”,Contorl_outB為“1”,與direction [1..0]中的值“01”相同,此時電機反轉(zhuǎn)。當stopinter信號變?yōu)椤?”時,模塊的輸出control_outA為“O”; contorl_outB也為“O”,此時電機剎車并停止。當EN信號為“1”,stopinter信號再次為“0”時,電機再次開始運動,模塊的輸出 control_outA為“1”;con-torl_outB為“0”,與direction[1..O]中的值“10”相同,此時電機反轉(zhuǎn)。


1.2.3 延時模塊

圖4中,EN為延時的使能信號,也就是計數(shù)比較模塊的輸出信號stopinter;inclk為工作時鐘;stop為電機停止信號對外部的輸出信號。延時模塊(如圖5所示)的工作原理如下:當延時模塊檢測到stopinter信號為“1”時,模塊內(nèi)的計數(shù)器開始工作,計數(shù)器時鐘即模塊的工作時鐘10 kHz,當記滿300后,模塊輸出信號為“1”。延時模塊檢測到stopinter信號為“0”時,模塊內(nèi)計數(shù)器不工作,模塊輸出信號為“0”。

當電機剎車時,由于存在慣性,電機不會立即停止,會有一段滑行的過程,在這個過程中,電機仍然會通過磁編碼器返回反饋脈沖,只是因為電機的轉(zhuǎn)速下降,反饋脈沖的頻率大大降低。當stopinter信號變?yōu)椤?”時,電機開始剎車,如果此時立刻讀取feedback[15..0]端口上的反饋脈沖數(shù)值,計算出電機所帶負載的位置,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)與實際電機返回的反饋脈沖數(shù)不相等,從而嚴重地影響控制精度,所以必須在stopinter信號變?yōu)椤?”后,延長一段時間,確保電機停止不動后,再給出STOPTEST信號,作為讀取反饋脈沖數(shù)值的有效信號,這時用讀回的反饋脈沖數(shù)值計算出負載的實際位置是準確的。


通過實驗,在電機以最高轉(zhuǎn)速運行時,讓電機剎車,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間,就是所需要的延時。通過反復(fù)進行實驗,測試出這段時間為30 ms,其間的反饋脈沖個數(shù)為20個。因此把要控制的位移量換算成反饋脈沖的個數(shù)后,用這個值減去20作為比較模塊給定值,就可以抵消滑行過程中增加的20 個脈沖。這樣對電機的控制能夠達到一次到位,不需要進行再次調(diào)節(jié)。延時模塊仿真圖如圖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現(xiàn)算法。使用FPGA控制電機,能夠保證控制的實時性和可靠性。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。



來源:香香公主0次

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