FPGA在直流電機位置控制中的應用

摘要：由于直流電機具有速度易控制，精度和效率高，能在寬范圍內實(shí)現平滑調速等特點(diǎn)而在冶金、機械加工制造等行業(yè)中得到廣泛應用。該設計采用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(jìn)行位置控制的方法，給出位置控制模塊的設計和實(shí)現，使用 VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程完成了FPGA對直流電機的各種控制。
關(guān)鍵詞：位置控制；直流電機；FPGA；VHDL

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

1 電機位置控制模塊的設計
1．1 直流電機位置控制的方法
在此，使用maxon直流電機，通過(guò)與其配套的行星齒輪箱和磁編碼器，能夠實(shí)現從轉速到位移的轉換。其工作原理如下：電機轉動(dòng)時(shí)，編碼器開(kāi)始輸出反饋脈沖，反饋脈沖的頻率與電機的轉速成正比，最高可達20 kHz。電機軸每旋轉一圈，編碼器就輸出16個(gè)反饋脈沖，通過(guò)計算得出每個(gè)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(gè)數來(lái)表示，作為FPGA中位置控制模塊給定值，當電機轉動(dòng)時(shí)，FPGA中的計數器會(huì )把反饋脈沖計數并保存，位置控制模塊不斷讀取計數器里的計數值，并與位置控制模塊中的給定值比較。當它們相等的時(shí)候，位置控制模塊發(fā)出停止信號，從而控制電機剎車(chē)。電機停止運動(dòng)后，再讀取計數器中的計數值，與給定值做比較，計算出差值。如果差值在控制精度范圍內，則此次控制結束；如果不在范圍內，將差值作為下一次控制的給定值，繼續控制電機運動(dòng)，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)數與給定的脈沖個(gè)數做比較，當它們相等時(shí)，給出電機停止信號。驅動(dòng)模塊的作用是根據輸入的控制信號控制電機的運動(dòng)。延時(shí)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(gè)數。接下來(lái)將重點(diǎn)介紹各個(gè)模塊的具體實(shí)現。
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；EN為電機工作使能信號；inclk為工作時(shí)鐘；feedback[15．．0]為電機運行時(shí)計數器的計數值；stopinter為電機停止時(shí)的模塊內部傳遞信號；“O”表示無(wú)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，也就是根據要控制的位移量所計算出的反饋脈沖的個(gè)數，將其鎖存。在工作時(shí)鐘的作用下，模塊會(huì )不斷地檢測EN信號是否有效，如果EN信號有效，模塊將開(kāi)始讀取反饋計數值，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(dòng)到達指定位置，這時(shí)輸出的stopinter信號有效，控制電機剎車(chē)；否則 stopinter信號無(wú)效，電機繼續運動(dòng)。

如圖2所示，假設給定的計數值為7。當使能信號EN有效時(shí)，模塊開(kāi)始讀端口feedback[15．．O]中的值(電機運行時(shí)通過(guò)磁編碼器反饋回來(lái)的脈沖個(gè)數)，與data_in[15．．0]中給定的脈沖個(gè)數做比較。當它們相等的時(shí)候，表示電機所帶的負載運動(dòng)到了指定位置，此時(shí)stopinter信號有效，開(kāi)始控制電機剎車(chē)并停止。

1．2．2 驅動(dòng)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(wú)效，“1”表示有效；inclk為工作時(shí)鐘； stopinter為電機停止信號的模塊內部傳遞信號；control_outA，control_outB為控制電機的輸出信號，這兩個(gè)控制信號直接連接電機的驅動(dòng)芯片。驅動(dòng)模塊的工作原理如下：

在工作時(shí)鐘的作用下，驅動(dòng)模塊會(huì )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(wú)效的時(shí)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(shí)，control_outA輸出為“0”；control_outB輸出為“1”，表示控制電機反轉。當derect[1．．0]為“10”時(shí)， control_outA輸出為“1”；con-trol_outB輸出為“O”，表示控制電機正轉。驅動(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”，表示控制電機剎車(chē)并停止。在EN和stop信號都無(wú)效的時(shí)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(shí)，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(shí)，表示電機開(kāi)始運動(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)電機反轉。當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)電機剎車(chē)并停止。當EN信號為“1”，stopinter信號再次為“0”時(shí)，電機再次開(kāi)始運動(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)電機反轉。
1．2．3 延時(shí)模塊
圖4中，EN為延時(shí)的使能信號，也就是計數比較模塊的輸出信號stopinter；inclk為工作時(shí)鐘；stop為電機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：當延時(shí)模塊檢測到stopinter信號為“1”時(shí)，模塊內的計數器開(kāi)始工作，計數器時(shí)鐘即模塊的工作時(shí)鐘10 kHz，當記滿(mǎn)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)，模塊內計數器不工作，模塊輸出信號為“0”。

當電機剎車(chē)時(shí)，由于存在慣性，電機不會(huì )立即停止，會(huì )有一段滑行的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，電機仍然會(huì )通過(guò)磁編碼器返回反饋脈沖，只是因為電機的轉速下降，反饋脈沖的頻率大大降低。當stopinter信號變?yōu)椤?”時(shí)，電機開(kāi)始剎車(chē)，如果此時(shí)立刻讀取feedback[15．．O]端口上的反饋脈沖數值，計算出電機所帶負載的位置，那么必然會(huì )丟失掉滑行過(guò)程中的反饋脈沖。這樣就會(huì )導致讀回的反饋脈沖數與實(shí)際電機返回的反饋脈沖數不相等，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(cháng)一段時(shí)間，確保電機停止不動(dòng)后，再給出STOPTEST信號，作為讀取反饋脈沖數值的有效信號，這時(shí)用讀回的反饋脈沖數值計算出負載的實(shí)際位置是準確的。
通過(guò)實(shí)驗，在電機以最高轉速運行時(shí)，讓電機剎車(chē)，用邏輯分析儀抓出反饋脈沖的波形，找出反饋脈沖頻率開(kāi)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(guò)反復進(jìn)行實(shí)驗，測試出這段時(shí)間為30 ms，其間的反饋脈沖個(gè)數為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(guò)程中增加的20 個(gè)脈沖。這樣對電機的控制能夠達到一次到位，不需要進(jìn)行再次調節。延時(shí)模塊仿真圖如圖6所示。

2 結 語(yǔ)
現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件體積小、速度快、集成度高，能夠用硬件電路來(lái)實(shí)現算法。使用FPGA控制電機，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字化控制方法必將廣泛地為人們所接受和使用。