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，能在寬范圍內實現(xiàn)平滑調速等特點而在冶金、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。介紹直流電機進行位置控制的方法，給出位置控制模塊的設計和實現(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，這時需要的控制量就不再是電機的轉速，而是控制對象的直線位移，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，通過與其配套的行星齒輪箱和磁編碼器，能夠實現(xiàn)從轉速到位移的轉換。其工作原理如下：電機轉動時，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，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(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動芯片。驅動模塊的工作原理如下：

在工作時鐘的作用下，驅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。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。驅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。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。
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．．O]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，不需要進行再次調節(jié)。延時模塊仿真圖如圖6所示。

2 結 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。