一種基于FPGA的三坐標測量機電機控制系統

1、控制系統概述

隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，三坐標測量機越來(lái)越顯示出其重要作用。而電機控制系統對三坐標測量機的運行有著(zhù)非常重要的作用。由于FPGA可以現場(chǎng)可編程，可以實(shí)現專(zhuān)用集成電路，能滿(mǎn)足片上系統設計(SOC)的要求，使其日益成為系統的關(guān)鍵部件。[1]本文介紹一種基于FPGA的電機控制系統，用于控制三坐標測量機電機運行。

系統主要由PC機、控制電路、驅動(dòng)器[2]和電機組成。系統結構圖見(jiàn)圖1。

其中PC 機，由VC++實(shí)現用戶(hù)界面，發(fā)出的命令由FPGA進(jìn)行接收和緩存，單片機進(jìn)行分析處理產(chǎn)生控制命令，控制命令再經(jīng)過(guò)FPGA傳入驅動(dòng)器，控制電機運行。同時(shí)電機狀態(tài)信息反饋回PC機，用于人機交互。系統中FPGA選用的是Altera公司的Cyclone系列。

2、系統功能實(shí)現

下面分別介紹FPGA實(shí)現電機控制功能的幾個(gè)重要部分。

2.1 編碼器進(jìn)行速度、位移量測量的實(shí)現方法

編碼器為傳感器類(lèi)的一種，主要用來(lái)偵測機械運動(dòng)的速度、位置、角度、距離或計數，在電機控制中用于換相、速度及位置的檢出，作用十分重要?！」怆娋幋a器具有分辨率高，響應速度快，體積小，重量輕，耐惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，故常被用作高精度位置檢測傳感器。它的精度或分辨率主要決定于每轉輸出的脈沖數(對增量式編碼器而言) 。根據控制需要，還可以利用倍頻技術(shù)來(lái)提高位置檢測精度。[5]本系統使用增量式編碼器即增量編碼盤(pán)。

增量編碼盤(pán)輸出信號A 和B 具有90°的相位差。A和B的相位關(guān)系反映了被測對象的旋轉方向，若A 超前于B ，表明編碼器是順時(shí)針旋轉的，反之，編碼器為逆時(shí)針旋轉。當增量編碼盤(pán)的細分數為N 時(shí)，增量編碼盤(pán)的每一個(gè)脈沖代表的角位移為360° /N，A、B 信號的頻率相同，頻率大小反映當前電機速度，由這兩個(gè)信號就可得到電機轉向、轉角和轉速。[6]如圖2所示，在A(yíng)和B的上升沿和下降沿計數器均做相應變化，得到count 脈沖，在FPGA中計數，即可得到編碼器輸出的脈沖數，經(jīng)過(guò)計算就可以得到電機一定時(shí)間內實(shí)際走過(guò)的路程或者單位時(shí)間內的速度。

本系統主要在FPGA中編程實(shí)現對編碼器的硬件解碼。主要程序如下：

if(shift_a == 2’b01)

begin

if(b)

cnt = #2 cnt - 1’b1;

else

cnt = #2 cnt + 1’b1;

end

else if(shift_a == 2’b10)

begin

if(b)

cnt = #2 cnt + 1’b1;

else

cnt = #2 cnt - 1’b1;

end

else if(shift_b == 2’b01)

begin

if(a)

cnt = #2 cnt + 1’b1;

else

cnt = #2 cnt - 1’b1;

end

else if(shift_b == 2’b10)

begin

if(a)

cnt = #2 cnt - 1’b1;

else

cnt = #2 cnt + 1’b1;

其中，cnt為十六位寄存器，shift_a =2’b01和shiftb=2’b01分別表示A和B出現上升沿，同理如果是等于2’b10則表示下降沿。電機編碼器硬件解碼程序仿真模擬后效果如圖3所示。圖中number為FPGA計算所得的編碼器輸出脈沖數。

2.2 脈沖控制實(shí)現運動(dòng)過(guò)程

利用脈沖控制電機速度即利用脈沖頻率決定電機速度。這種方法能夠得到較高的運行精度，適用于三坐標機電機控制系統。首先，上位機給定運行速度，命令傳到單片機，單片機進(jìn)行計算，獲得單位脈沖周期內需要時(shí)鐘數，再將數據傳入FPGA，由其相應模塊處理。FPGA中相應的處理模塊實(shí)現的基本原理是：根據單片機給出的時(shí)鐘數進(jìn)行判定。程序開(kāi)始運行，開(kāi)始計數周期，時(shí)鐘數目不斷累加，當累加數目到達單片機給定值的時(shí)候完成一個(gè)計數周期。然后計數器清零，重新開(kāi)始計數，輸出信號狀態(tài)翻轉。程序如下所示：

if(cnt >= currentSpd)

begin

puls = ~puls;

cnt = 25’h1;

end

else

cnt = cnt + 1’b1;

其中cnt為計數器，currentSpd為單片機計算所得的時(shí)鐘數，puls為輸出脈沖。電機運動(dòng)加速的過(guò)程就是一個(gè)脈沖頻率逐漸加大的過(guò)程，也就是說(shuō)單位周期內時(shí)鐘數量逐漸增加的過(guò)程。相應的減速過(guò)程與之相反。勻速過(guò)程則是一個(gè)以給定頻率保持不變的運動(dòng)過(guò)程。下圖便是一個(gè)勻速、減速的仿真結果。

2.3 限位和解除限位的方法

最后講述限位及其解除方法。在電機控制過(guò)程中應用限位是一種減少事故發(fā)生的有效方法。限位功能的實(shí)現需要由限位開(kāi)關(guān)實(shí)現。限位開(kāi)關(guān)按其檢測方式可分為接觸式(行程開(kāi)關(guān))和非接觸式(接近開(kāi)關(guān))。[7]本系統采用非接觸式。接近開(kāi)關(guān)式一種非接觸式檢測，當運動(dòng)的金屬物體接近開(kāi)關(guān)的感應面而達到動(dòng)作距離時(shí)，便無(wú)接觸無(wú)壓力的自動(dòng)發(fā)出檢測信號，用于驅動(dòng)器，也可以將其輸出信號送入控制單元，以控制系統動(dòng)作。[8]電機運行過(guò)程中，如果運動(dòng)軸到達限位開(kāi)關(guān)，即產(chǎn)生限位信號，信號傳到控制電路，FPGA接收限位信號，做出處理后發(fā)出停止前進(jìn)信號傳給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器控制電機停止，避免發(fā)生碰撞危險。一旦出現限位，前進(jìn)命令即被禁止，電機只能帶動(dòng)運行軸反方向運行，在運行軸反向運動(dòng)同時(shí)單片機監測FPGA測得編碼器反饋的位移值，如果判斷運行軸反方向運動(dòng)的位移值達到安全值，便認定限位解除，電機運行恢復正常狀態(tài)。

3、總結

本文較為詳細的介紹了一種基于FPGA的三坐標測量機電機控制系統。實(shí)現了較為精確的電機運行控制，實(shí)現了運行狀態(tài)監測和限位，運行過(guò)程中遇到危險時(shí)能夠及時(shí)停止，運動(dòng)整體的安全性有了很大保障。

參考文獻

[1] 王開(kāi)軍 基于FPGA的測控技術(shù)研究及應用 中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數據庫

[2] 松下公司.A4使用說(shuō)明書(shū)[Z].日本 松下公司.

[3]王冠、俞一鳴等編著(zhù) 面向CPLD/FPGA的Verilog設計 機械工業(yè)出版社

[4] Cyclone FPGA Family Datasheet ALTERA Corporation March 2003

[5]張團善 陳朝奎 光電編碼器的單片機減振電路設計 國外電子測量技術(shù) 2005年第8期

[6] 吳振宇 李策 馮林 一種基于DSP和FPGA的多路微特電機控制系統 微特電機 2007年第一期

[7] 劉井燕 限位開(kāi)關(guān)的工程應用實(shí)例 自動(dòng)化博覽

[8] 羅濤 接近開(kāi)關(guān)的原理應用及發(fā)展趨勢 電子技術(shù)應用 1993年第七期