FPGA在多軸步進(jìn)電機(jī)控制器中的應(yīng)用研究

摘 要：提出一種運(yùn)用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）完結(jié)多軸步進(jìn)電機(jī)控制器的方法。選用IP計劃思維，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制由硬件電路（步進(jìn)電機(jī)IP核）完結(jié)，軌跡計算由同一芯片上的微處理器（NiosII軟核）完結(jié)，然后可以構(gòu)建多軸步進(jìn)電機(jī)控制器的可編程片上系統(tǒng)（SoPC系統(tǒng)）。運(yùn)用FPGA芯片中的嵌入式陣列塊（EAB）構(gòu)成LPM-ROM來存儲步進(jìn)電機(jī)各相細(xì)分電流的數(shù)據(jù)，并把斬波控制電路集成到FPGA內(nèi)部，然后提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。選用VHDL言語控制可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的不一樣，改動模塊程序的參數(shù)就可以完結(jié)不一樣類型步進(jìn)電機(jī)的控制，有利于步進(jìn)電機(jī)的廣泛運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：FPGA；多軸步進(jìn)電機(jī)；控制器

步進(jìn)電機(jī)作為一種電脈沖一角位移的變換元件，因為其低價的報價、易于操控及運(yùn)行時無累積誤差等長處，在工業(yè)操控領(lǐng)域中得到了廣泛地使用；但也存在低頻振蕩、噪聲大等缺陷，選用細(xì)分恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動技術(shù)則能夠極好地解決上述缺陷。文章選用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA來取代步進(jìn)電機(jī)細(xì)分操控體系中的單片機(jī)或數(shù)字邏輯有些。軟件都可完成這種插補(bǔ)算法。軟件操控辦法雖然有許多長處，但其插補(bǔ)運(yùn)算是串行的，因此運(yùn)算速度不高，在高速度、高精度的體系中，難以達(dá)到請求。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)操控多選用單片機(jī)操控方法，這種方法是串行操控，在速度和實時性方向受到限制。跟著FPGA器材及其開發(fā)體系新技術(shù)的開展，基FPGA芯片完成對步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動操控，顯示出了很大優(yōu)勢。FPGA的規(guī)劃是并行的、多線程的，因此硬件操控成為更適合實時性、高速的作業(yè)場合。

1 多步進(jìn)電機(jī)IP核

經(jīng)過設(shè)定其內(nèi)部寄存器值，步進(jìn)電機(jī)IP核能控制步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的速度曲線方法工作。該IP核有3個首要功能模塊構(gòu)成。

（1）Avalon總線接口：它使該IP核具有Avalon總線接口，可與其它具有相同接口的IP核互聯(lián)。

（2）QEP電路：用于聯(lián)接一個光電編碼器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子方位等信息，用于差異電機(jī)工作是不是失步，使本體系可依據(jù)用戶需求成為閉環(huán)控制體系。

（3）速度剖面發(fā)生：依據(jù)設(shè)定的速度曲線參數(shù)，計算出每個步進(jìn)脈沖的步進(jìn)周期，并輸出步進(jìn)脈沖序列到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，然后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的速度曲線方法工作。它由狀態(tài)機(jī)，步進(jìn)周期計算模塊和PWM電路三有些構(gòu)成。

2 QEP電路

這篇文章選用增量式光電編碼器作為方位查看設(shè)備，其輸出為3路信號，其間兩路為正交的A，B脈沖信號，一路為零位查看脈沖信號Z。在正常作業(yè)時，精確的查看轉(zhuǎn)子方位是非常重要的，通常通過對正交的A，B脈沖進(jìn)行四倍頻計數(shù)，能夠得到轉(zhuǎn)子的方位。這篇文章計劃的QEP電路如圖2所示，包括數(shù)字濾波器、方向區(qū)分電路、四倍頻電路和增/減計數(shù)器等。其間，數(shù)字濾波器用來濾除電機(jī)旋轉(zhuǎn)時在編碼器A，B和Z三相輸出端發(fā)作的數(shù)字信號噪音。方向區(qū)分和四倍頻電路可得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與四倍頻輸出，再通過增/減計數(shù)器，便能夠得到（n+1）位的電機(jī)轉(zhuǎn)子方位信號。

3 多模式步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計方案

3.1 工作原理

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，以三相、四相電機(jī)控制器為例，其主要包含3有些功用模塊.數(shù)據(jù)分配器經(jīng)過形式挑選信號se（1）、se（2）將外部脈沖送入相應(yīng)的功用操控模塊；功用模塊是完成功用的中心模塊，經(jīng)過功用模塊完成不一樣的形式操控；數(shù)據(jù)挑選器經(jīng)過形式挑選信號，依據(jù)不一樣的形式功用，挑選該功用模塊的信號輸出。共用到4個數(shù)據(jù)挑選器，數(shù)據(jù)挑選器臉擇輸出步進(jìn)電機(jī)材目信號輸出，數(shù)據(jù)挑選器b、c擇輸出步進(jìn)電機(jī)B相和C相信號，連接線方法相同于數(shù)據(jù)挑選器a這兒省略。數(shù)據(jù)挑選器喻出步進(jìn)電機(jī)晰目脈沖，只用于四相步進(jìn)電機(jī)，所以只輸入四相電機(jī)操控模塊的D3、D4信號，別的輸入端直接接地.本設(shè)計可完成8種形式的步進(jìn)電機(jī)操控，如果要完成更多種形式步進(jìn)電機(jī)的操控，只要將1～4數(shù)據(jù)分配器改為1～8數(shù)據(jù)分配器，將4選1數(shù)據(jù)挑選器改為8選1數(shù)據(jù)挑選器，然后再增加相應(yīng)的形式操控模塊就可以擴(kuò)展到16種操控形式。

3.2 控制模塊

顯現(xiàn)模塊顯現(xiàn)的是操控脈沖數(shù)，并經(jīng)過trans信號，顯現(xiàn)電機(jī)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)。當(dāng)分頻器發(fā)生的脈沖輸入到顯現(xiàn)模塊時，開始計數(shù)。實驗渠道DEO開發(fā)板僅還有4個數(shù)碼顯現(xiàn)管，因而，除掉第一位作為速度檔位0-3的顯現(xiàn)，別的3位用來顯現(xiàn)計數(shù)值，規(guī)模1-999，當(dāng)其達(dá)到1000時清零重新計數(shù)。其間reset和start是體體系一的復(fù)位和開始信號，trans是切換脈沖顯現(xiàn)/圈數(shù)顯現(xiàn)的信號，clk-in是有操控模塊宣布的操控脈沖，speed_in[1.0]為檔位的信號，digt1，digt2，digt3，digt4分別為4個數(shù)碼顯現(xiàn)管操控信號，led[2..0]為變換顯現(xiàn)形式時的led提示的輸出信號。

4 際FPCTA器件上進(jìn)行工程調(diào)試

運(yùn)用（Quartus2軟件成功編譯規(guī)劃工程以后，就可以對Altera器材進(jìn)行編程或裝備了。（Quartus2編譯器的Assemble模塊主動將適配過程的器材、邏輯單元和引腳分配信息轉(zhuǎn)換為器材的編程圖畫，并將這些圖畫以SRAM目標(biāo)文件（.用SOF）的方式保存為編譯文件，（Quartus2軟件的編程器（Programmer運(yùn)用該文件對器材BYteBlasteMV進(jìn)行編程裝備.裝備完結(jié)便可以下載到FPCTA器材進(jìn)行調(diào)試。

工程調(diào)試在GW48SOPC/EDA開發(fā)體系上完結(jié).將程序下載到該開發(fā)體系中的FPCTA器材EP-ICQ240C8中，參加輸入脈沖，挑選信號用開發(fā)器上的模仿開關(guān)替代，將模塊輸出信號經(jīng)過一級功率驅(qū)動，能極好完結(jié)對各種形式三相和四相的小功率步進(jìn)電機(jī)的操控功用，獲得滿足的作用。

5 結(jié)語

提出了一種使用FPGA完成多軸步進(jìn)電機(jī)操控器的辦法。開發(fā)了根據(jù)特定速度操控戰(zhàn)略的高性能步進(jìn)電機(jī)IP核，包括Avalon總線接口、位置檢查、速度剖面生成、脈沖信號發(fā)生等算法模塊。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步集成了微處理器、存儲器、通訊模塊等，構(gòu)建了多軸步進(jìn)電機(jī)操控器的SoPC體系。試驗結(jié)果表明該多軸步進(jìn)電機(jī)操控器具有良好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精確度。所規(guī)劃的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IP核通過了充沛的軟硬件仿真和試驗測試，能夠移植到不一樣技術(shù)的FPGA平臺中。

參考文獻(xiàn)

[1] 樓然苗.單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2] 張榮.基于單片機(jī)的超聲波測距器設(shè)計[J].科技信息， 2010（31）：87-88.

[3] 章梓雄，董曾南.粘性流體力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，2014.

[4] 鮑里先科.AN.電機(jī)中的空氣動力學(xué)與熱傳遞[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

作者簡介：韓新江，身份證號碼：132329197711201012。