基于FPGA的伺服驅(qū)動(dòng)器分周比設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引 言

　　電動(dòng)機(jī)是各類數(shù)控機(jī)床的重要執(zhí)行部件。要實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確位置控制，轉(zhuǎn)子的位置必須能夠被精確的檢測(cè)出來(lái)。光電編碼器是目前最常用的檢測(cè)器件。光電編碼器分為增量式、絕對(duì)式和混合式。其中，增量式以其構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械壽命長(zhǎng)，易實(shí)現(xiàn)高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛采用。增量式光電編碼器輸出有A，B，Z三相信號(hào)，其中A相和B相相位相差90°，Z相是編碼器的“零位”，每轉(zhuǎn)只輸出一個(gè)脈沖。在應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)A相、B相正交脈沖按照一定的比例，即分周比進(jìn)行分頻。分頻的難點(diǎn)是，無(wú)論設(shè)定分周比是整數(shù)還是分?jǐn)?shù)，分頻后輸出的A'相，B'相脈沖仍然要保持正交或近似正交。為此提出一種基于FPGA的整數(shù)分周比實(shí)現(xiàn)方法。該方法邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，易于擴(kuò)展，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

　　1 電子齒輪比與分周比

　　電子齒輪比與分周比是數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心中一個(gè)很重要的概念。國(guó)外大部分伺服驅(qū)動(dòng)裝置有電子齒輪比和分周比功能，其中電子齒輪比KEG為伺服電機(jī)實(shí)際執(zhí)行的脈沖量與指令脈沖量之比，分周比KDF是伺服驅(qū)動(dòng)器接收到來(lái)自伺服電動(dòng)機(jī)軸上脈沖編碼器的脈沖量與實(shí)際反饋到上位伺服控制系統(tǒng)(CNC)上脈沖量的比。配合使用電子齒輪比和分周比功能，用戶可以方便地實(shí)現(xiàn)整數(shù)脈沖當(dāng)量，從而避免中間計(jì)算出現(xiàn)量化誤差，在不修改G代碼的情況下，將代碼直接移植到配備不同電機(jī)編碼器線數(shù)或者不同螺距絲杠的機(jī)床或者加工中心。

　　電子齒輪比和分周比可以按照下式計(jì)算求得。

　　式中：PG為電機(jī)光電編碼器線數(shù)，單位為P/rev(脈沖/轉(zhuǎn));P為絲杠螺距，單位為mm/rev(毫米/周);△l為脈沖當(dāng)量，單位為mm/P(毫米/脈沖);m/n為減速比。

　　電子齒輪比可以利用脈沖頻率的變換實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于分周比，由于驅(qū)動(dòng)器反饋到CNC的脈沖量一般采用正交脈沖序列，故分周比的實(shí)現(xiàn)相對(duì)于齒輪比要困難。國(guó)外的各種驅(qū)動(dòng)器一般都帶有分周比功能，對(duì)利用FPGA實(shí)現(xiàn)分周比進(jìn)行研究和探討，電子齒輪比、分周比功能示意圖如圖1所示。

　　2 分周比的原理框圖

　　分周比功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　分周比的實(shí)現(xiàn)需要3個(gè)功能模塊：四倍頻模塊QD-PF、分頻模塊DF、正交序列生成模塊OSG。QDPF模塊的輸入為正交脈沖序列，輸出為方向信號(hào)和四倍頻后的脈沖。DF模塊可實(shí)現(xiàn)輸入脈沖的三分頻。DF內(nèi)部是一個(gè)增減計(jì)數(shù)器，根據(jù)輸入的方向信號(hào)進(jìn)行增、減計(jì)數(shù)，正向計(jì)至設(shè)定的正閾值后輸出一個(gè)脈沖和正方向信號(hào)，負(fù)向計(jì)至設(shè)定的負(fù)閾值后輸出一個(gè)脈沖和負(fù)方向信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)值在正負(fù)閾值之間時(shí)，即使電機(jī)方向發(fā)生變化，甚至抖動(dòng)，輸出方向信號(hào)都保持不變。

　　OSG模塊用輸入脈沖沿觸發(fā)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，根據(jù)輸入的方向信號(hào)判決要跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)，從而產(chǎn)生正交信號(hào)和方向信號(hào)。

　　3 仿真研究

　　根據(jù)圖2，利用ACTEL公司的Libro 8.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用VHDL硬件語(yǔ)言，創(chuàng)建了相應(yīng)的功能模塊，原理圖如圖3所示。

　　圖3中，PA205，PB206分別是原始差分信號(hào)的A相、B相的輸入引腳。信號(hào)經(jīng)QDPF四倍頻后將方向信號(hào)和脈沖信號(hào)輸出給DF分頻模塊。經(jīng)DF分頻后將脈沖、方向信號(hào)輸出給正交脈沖生成模塊OSG，產(chǎn)生帶相位的正交信號(hào)，最后從PA119，PB120反饋到CNC。下面對(duì)主要模塊做分別介紹。

　　四倍頻模塊QDPF：正交信號(hào)的四倍頻方法有很多種，在很多資料中都涉及，在此不做詳細(xì)介紹。

　　分頻模塊DF按照初始化配置的分周比或者預(yù)先設(shè)定的分周比，對(duì)輸入CLK_IN引腳的脈沖序列分頻。內(nèi)部的增、減計(jì)數(shù)器根據(jù)輸入DIR_IN引腳的方向信號(hào)對(duì)輸入脈沖進(jìn)行增(DIR_IN=1)或減(DIR_IN=0)計(jì)數(shù)，增計(jì)數(shù)至正閾值時(shí)輸出一個(gè)脈沖和正方向信號(hào)(DIR_OUT=1)，減計(jì)數(shù)至負(fù)閾值是輸出一個(gè)脈沖和負(fù)方向信號(hào)(DIR_OUT=0)。若計(jì)數(shù)值在正、負(fù)閾值之間時(shí)，不論電機(jī)反向，還是在閾值見(jiàn)抖動(dòng)，即方向反復(fù)變化，輸出方向信號(hào)都保持不變。這是能正確實(shí)現(xiàn)分頻的關(guān)鍵，如果這一步處理不好，電機(jī)定位后可能會(huì)出現(xiàn)不斷向CNC發(fā)脈沖的情況。以三分頻為例，即計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)至3后輸出一個(gè)正脈沖(正方向信號(hào)+脈沖)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)至-3后輸出一個(gè)負(fù)脈沖(負(fù)方向信號(hào)+脈沖)。計(jì)數(shù)值在(-3，3)時(shí)，計(jì)數(shù)器只對(duì)脈沖計(jì)數(shù)而不輸出。對(duì)QDPF 的仿真結(jié)果如圖4所示。

　　OSG被脈沖信號(hào)的上升沿觸發(fā)后，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和方向信號(hào)，跳到下一個(gè)狀態(tài)。當(dāng)方向信號(hào)為正時(shí)，按照外環(huán)的逆時(shí)針?lè)较蚯袚Q狀態(tài)，產(chǎn)生A'相超前B'相 90°的正交脈沖序列;當(dāng)方向信號(hào)為負(fù)時(shí)，按照內(nèi)環(huán)的順時(shí)針?lè)较蚯袚Q狀態(tài)，產(chǎn)生B'相超前A'相90°的正交脈沖序列，仿真如6所示。

　　圖6中，dir為方向信號(hào)，其跳變沿即方向變化處。由圖6可見(jiàn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)順序?yàn)?0→11→01→00(反向)→01→11→10→…。實(shí)現(xiàn)了相位隨輸入信號(hào)的切換。

　　最后，對(duì)分周比功能整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，輸入為正交的脈沖序列。輸入模仿實(shí)際電機(jī)光電編碼器脈沖輸出對(duì)脈沖相位反復(fù)切換以驗(yàn)證電機(jī)定位后的輸出。仿真如圖7所示。

　　從圖7中可見(jiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)pula，pulb相位不斷切換時(shí)，輸出pula1，pulb1按照3分頻，滿足3或-3后輸出新的正交序列。實(shí)際實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

　　圖8中，波形1、波形2分別是光電編碼器輸出的A相、B相正交脈沖。波形3、波形4分別是對(duì)A相、B相正交脈沖3分頻后的A'相、B'相正交脈沖。觀察圖 7，圖8，結(jié)果一致。用此方案實(shí)現(xiàn)的分周比已經(jīng)成功應(yīng)用于高精度伺服驅(qū)動(dòng)器中，在實(shí)際應(yīng)用中反復(fù)驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)誤差。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出的分周比實(shí)現(xiàn)方法可以準(zhǔn)確地將光電編碼器輸出的正交信號(hào)按照設(shè)定的分周比進(jìn)行分頻。通過(guò)設(shè)定分頻比可以實(shí)現(xiàn)1～256倍的分頻，甚至更高。在實(shí)際系統(tǒng)中，還可以利用MCU通過(guò)總線在線配置分周比。假如要實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)比例的分周比，也只需在本方案基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可。