FPGA在直流電機位置控制中的應(yīng)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(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。
關(guān)鍵詞：位置控制；直流電機；FPGA；VHDL

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：