步進(jìn)電機在短波發(fā)射機的應(yīng)用與問題解析

張志紅

（國家新聞出版廣電總局731臺，福建　龍巖　364000）

工程技術(shù)

步進(jìn)電機在短波發(fā)射機的應(yīng)用與問題解析

張志紅

（國家新聞出版廣電總局731臺，福建龍巖364000）

針對步進(jìn)電機運行特點，提出一種采用FPGA對步進(jìn)電機速度與位置控制的方法，建立一種步進(jìn)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈沖頻率實現(xiàn)步進(jìn)電機速度控制，可防止失步和過沖，提高工作效率，并結(jié)合實際工作控制，對平時出現(xiàn)的故障進(jìn)行匯總，為今后維護打下基礎(chǔ)。

短波發(fā)射機；FPGA；步進(jìn)電機；步進(jìn)驅(qū)動器；光電碼盤

引言

步進(jìn)電機是將電能轉(zhuǎn)換為機械位移的一種機械驅(qū)動裝置，在短波發(fā)射機的機械傳動中取代了直流電機的地位，具有工作穩(wěn)定、運行精確等特點。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，需要多路通信能力和快速的運算能力和抗干擾能力，結(jié)合工業(yè)控制機，加上FPGA的功能，當(dāng)每個運行的電機進(jìn)行精確地控制時，發(fā)射機工作狀態(tài)更佳，符合現(xiàn)行的短波發(fā)射機的控制設(shè)計。

1　步進(jìn)電機在發(fā)射機中的運行原理

1.1系統(tǒng)概述

發(fā)射機的運行過程以FPGA為控制核心，由控制單元、保護單元和調(diào)諧單元構(gòu)成，在發(fā)射機的運行過程，通過對FPGA邏輯外部信號的綜合分析：一個脈沖信號，步進(jìn)電機驅(qū)動傳動，通過調(diào)整單元調(diào)整到位置驅(qū)動，由光電碼盤實時檢測，保證了調(diào)諧裝置的旋轉(zhuǎn)位置的準(zhǔn)確性，具有良好的驅(qū)動能力和抗干擾能力，并賦予了快速的判斷能力［1］。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖1所示），包括以下部分：

1）FPGA控制核心，以FPGA為整體信號處理板，接收短波發(fā)射機各個采集點所得的信息后，再對外輸出相應(yīng)的控制信號。在硬件上為短波發(fā)射機的開、關(guān)機、倒頻，各路調(diào)諧元件的位置驅(qū)動，各個調(diào)諧點的精確細(xì)調(diào)，各種過荷保護；在軟件上用戶可以隨時地對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、更改、刪除等操作，檢查各項存儲數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2）步進(jìn)驅(qū)動器：驅(qū)動接收來自FPGA輸出的脈沖信號驅(qū)動步進(jìn)電機，比如設(shè)定的方向、角位移和旋轉(zhuǎn)一個固定點，均由輸入控制脈沖的數(shù)目決定；脈沖頻率則是決定了電機轉(zhuǎn)速和加速度，通過改變脈沖頻率達(dá)到調(diào)速控制的目的。

3）光電碼盤：光電編碼器通過齒輪電機采集光電信號，光電采樣相對原機械采樣更準(zhǔn)確，F(xiàn)PGA發(fā)送的數(shù)字信號，即實際位置和設(shè)定電機的位置進(jìn)行比較，如果設(shè)定的位置，原套數(shù)字值大于數(shù)字實時采樣值的光電編碼器實際位置，發(fā)出一個正信號，否則發(fā)出負(fù)信號，抗干擾強帶光耦隔離，以避免誤操作。

圖1　步進(jìn)電機FPGA控制系統(tǒng)框圖

2　發(fā)射機工作控制原理

短波發(fā)射機的工作過程為粗調(diào)控制、細(xì)調(diào)控制、自動|手動控制，具體包括：

1）粗調(diào)控制：發(fā)射機與8驅(qū)動元件連接，工作時調(diào)整到預(yù)先設(shè)定的位置，其中所需的調(diào)諧電容、諧振電感和諧振腔的短連接板。

2）細(xì)調(diào)控制：發(fā)射機加電后，發(fā)射機要達(dá)到滿功率，每一個調(diào)諧元件的電感需調(diào)整已到位，共振后才是最合理的狀態(tài)，發(fā)送信號根據(jù)電容的微調(diào)，細(xì)分值取決于不同的驅(qū)動程序設(shè)置。

3）自動|手動控制：自動微調(diào)由檢測信號反饋，人工手動操作則根據(jù)電壓和電流狀態(tài)，驅(qū)動步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)［2］。

2.1粗調(diào)

在FPGA內(nèi)部ROM的不同工作頻率的多調(diào)整對應(yīng)的最優(yōu)位置信息元素存儲在發(fā)射機，需要調(diào)整到相應(yīng)的調(diào)諧元件的頻率調(diào)制的位置信息給FPGA主要的芯片spt-200，由主芯片將激勵調(diào)整到相應(yīng)的頻率值和水平，各種電機預(yù)設(shè)位置數(shù)據(jù)信號。數(shù)字脈沖信號的預(yù)定位置信息轉(zhuǎn)換傳輸?shù)?個步進(jìn)電機，也從A/D轉(zhuǎn)換器讀出調(diào)諧元件的當(dāng)前位置信息，在內(nèi)部FPGA將預(yù)設(shè)的位置和實際位置信息進(jìn)行比較，通過邏輯判斷，根據(jù)大小和極性的差異來控制步進(jìn)電機的速度和方向，直到誤差信號為零，調(diào)整到位，然后沒有高頻率輸出的機器，命令輸入開關(guān)，連接高頻，準(zhǔn)備微調(diào)。

2.2細(xì)調(diào)

前級調(diào)諧：各電機到位后解除封鎖，開始微調(diào)前級電容器，根據(jù)相位電壓的采集，正和負(fù)對比，反轉(zhuǎn)電機，當(dāng)錯誤時，順時針旋轉(zhuǎn)的電機，直至等級鑒相電壓輸出。

末級細(xì)調(diào)：前級細(xì)調(diào)結(jié)束后，啟動末級3路調(diào)諧電容和5路調(diào)載電容，暫時封鎖1路電機，高頻供電電壓和高頻激勵設(shè)定在較低的運行狀態(tài)，通過相位器件，正和負(fù)方向調(diào)整，當(dāng)調(diào)整和負(fù)載到位后，此時，發(fā)射機已準(zhǔn)確地調(diào)諧在諧振點，下一步可以用全電壓加音頻。

2.3調(diào)諧中的電機控制

調(diào)諧中步進(jìn)電機控制關(guān)鍵在于兩點：一是速度的控制，調(diào)諧是有時間限定的，需要步進(jìn)電機加減速的控制；二是精確度的控制，由光電碼盤隨動取樣反饋，決定電機的精確度。

加減速的控制：減速加速是步進(jìn)電機的運行速度、跳躍頻率和加速度曲線加速，但不同的負(fù)載跳變頻率是不同的，一般的跳躍頻率不宜過大，以存儲在ROM中的計數(shù)頻率之前，F(xiàn)PGA直接選擇，這個時間短；放緩，通過控制脈沖頻率，電機能平穩(wěn)減速和停止時注意剎車，不能太生硬，防止元件損壞，這樣的特性很好地保護了連接裝置的銷釘。在三階段，如果設(shè)計不合適，會導(dǎo)致步進(jìn)電機失速。

3　實際問題與解決

1）問題1：電機正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動，和控制的方向相反。

處理：步進(jìn)電機的驅(qū)動方向是由FPGA控制步進(jìn)驅(qū)動器而來，脈沖信號出現(xiàn)錯誤，應(yīng)是步進(jìn)驅(qū)動器的內(nèi)部出現(xiàn)問題，更換步進(jìn)驅(qū)動器后，電機方向恢復(fù)正常。

2）問題2：電機轉(zhuǎn)動中進(jìn)行卡齒輪，步進(jìn)電機無法正常轉(zhuǎn)動。

處理：單獨拆卸步進(jìn)電機不帶任何負(fù)載，接上電源進(jìn)行驅(qū)動，仍會卡齒，對步進(jìn)電機內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)是限位轉(zhuǎn)軸由于長時間的運轉(zhuǎn)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸平面削損，更換此機械裝置后恢復(fù)正常。

3）問題3：發(fā)射機工作中忽然掉電，導(dǎo)致整體工作單元失去數(shù)據(jù)，恢復(fù)電源后，發(fā)現(xiàn)各路電機均無法驅(qū)動。

處理：發(fā)射機的FPGA控制系統(tǒng)沒有UPS電源保護，斷電后，對FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重的沖擊，對外輸出無法正常運行，脈沖序列出現(xiàn)問題這樣無法控制步進(jìn)驅(qū)動器，對FPGA控制系統(tǒng)進(jìn)行重啟，如果重啟無效的話，只能更換FPGA控制系統(tǒng)備件。

4）問題4：一路電機轉(zhuǎn)動中，顯示在液晶屏的，電機數(shù)值卻無任何反應(yīng)，仍停留在原值，其他各路電機數(shù)值正常。

處理：對數(shù)字顯示的實際位置，由步進(jìn)電機光電編碼器反饋，物理采樣電機光電編碼器改變，信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號發(fā)送給FPGA，數(shù)值無法變化，估計是光電碼盤問題或接線斷開，先檢查碼盤的接線，無誤后再更換光電碼盤。

5）問題5：正常步進(jìn)電機檢修中，發(fā)現(xiàn)電機的外部有明顯機油流溢的痕跡，表面溫度比其他電機高。

處理：電機溫度不對，說明內(nèi)部的散熱或是機油潤滑是有問題的，外表觀察發(fā)現(xiàn)該步進(jìn)電機的裝機方向和其他電機不同，機油進(jìn)口是向下，由于重力原因，導(dǎo)致長期的機油溢出，機油的減少導(dǎo)致摩擦的增加，溫度自然就升高。處理中，對機油進(jìn)口進(jìn)行了改良，增加了防溢接頭，另外，將電機的位置重新安裝［3］。

4　結(jié)語

在短波發(fā)射機中運用步進(jìn)電機傳動，優(yōu)點突出，實際效果明顯，有效提高了發(fā)射機的性能，與原來的直流伺服電機控制系統(tǒng)相比，具有很高的實用價值，且累計了多年故障處理的經(jīng)驗，有較強的自身步進(jìn)電機的維護能力。

［1］黃曉兵.THB-522型150KW短波發(fā)射機維護手冊［M］.北京:中國書籍出版社，2011:148-152.

［2］TBH-522型短波發(fā)射機自動控制技術(shù)說明書［Z］.北京:福昊達(dá)科技開發(fā)有限公司，2006:57-62.

［3］楊菁.基于FPGA的步進(jìn)電機發(fā)射機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（6）:7-8.

（編輯：王紅霖）

Application and Problem Analysis of Stepping Motor in ShortWave Transm itter

Zhang Zhihong
（Publication，Radio，F(xiàn)ilm and Television of China 731 Station，Longyan Fujian 364000）

The steppermotor operation characteristic，put forward amethod of using FPGA to step into themotor speed and position control，establish a kind of step motor drive control system，the system uses pulse frequency achieve the steppermotor speed control，can prevent the loss of step and overshoot，improve work efficiency，combined with the actualwork control，fault of usual the summary，for futuremaintenance and lay the foundation.

shortwave transmitter；FPGA；steppermotor；step driver；photoelectricencoder

TM383.6

A

2095-0748（2016）11-0022-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.09

2016-04-18

張志紅（1964—），女，福建龍巖人，大專，電氣工程師，研究方向：短波發(fā)射技術(shù)。