一種基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)伺服閥控制器設(shè)計(jì)

蔣文堅(jiān)

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710300)

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制和熱能管理，現(xiàn)代小型民用飛機(jī)中環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱管理系統(tǒng)中包括大量由電機(jī)拖動(dòng)的閥門(mén)[1]。傳統(tǒng)電動(dòng)閥門(mén)采用普通有刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，該類電機(jī)由于自身壽命短、控制精度低等缺點(diǎn)，限制了閥門(mén)的高精度閉環(huán)應(yīng)用[2]。新一代電動(dòng)閥門(mén)采用無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，雖解決了壽命短的問(wèn)題，但無(wú)刷電機(jī)在低速時(shí)控制精度不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確角度調(diào)節(jié)[3]。根據(jù)民用飛機(jī)適航準(zhǔn)則對(duì)成品可靠性、啟閉角度可控性及環(huán)境要求的不斷提高，目前生產(chǎn)的電動(dòng)閥門(mén)很難滿足新研飛機(jī)的要求，為此新一代民用飛機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)作為閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)源，提高產(chǎn)品的可靠性要求[4]。

步進(jìn)電機(jī)的本質(zhì)為一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具備控制精度高，控制方式靈活方便等特點(diǎn)[5]。在非超載的情況下，通過(guò)控制個(gè)數(shù)和脈沖頻率實(shí)現(xiàn)伺服閥門(mén)位置和轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)[6]。步進(jìn)電機(jī)主要有反應(yīng)式、永磁和混合式三種結(jié)構(gòu)，混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了其他兩類電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具備步距角小、高分辨率、高響應(yīng)頻率、高運(yùn)行效率的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，相同體積情況下，輸出的轉(zhuǎn)矩最大，因此目前普遍選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為電驅(qū)伺服閥動(dòng)力裝置。

針對(duì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)伺服閥控制器，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱能量管理系統(tǒng)的氣、液活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量、壓力、溫度的功效，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)環(huán)境溫度、壓力和熱能量的調(diào)整。同時(shí)，考慮到飛機(jī)系統(tǒng)的可靠性需求，本文還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電機(jī)過(guò)流保護(hù)機(jī)制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)在民用飛機(jī)環(huán)境控制和燃油熱管理系統(tǒng)的交聯(lián)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由飛管總線、環(huán)境控制或燃油熱管理系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成。

圖1 步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)控制交聯(lián)圖

從上圖可以看出，飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)、燃油熱管理系統(tǒng)通過(guò)讀取相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算出需要調(diào)節(jié)的氣液閥門(mén)角度、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息，并將控制命令上傳至飛機(jī)管理總線。隨后，總線控制器將上位機(jī)接收到的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制命令發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)SPI串行通訊方式，將控制命令下發(fā)至FPGA單元。最后，根據(jù)接收到的控制指令等相關(guān)信息，F(xiàn)PGA產(chǎn)生固定的脈沖序列，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)角的控制，最終完成飛機(jī)系統(tǒng)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)和熱能量管理功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，主要由總線控制器CPU、電機(jī)控制器FPGA、雙H橋功率主回路、反時(shí)限保護(hù)電路、電流監(jiān)控電路和輸出監(jiān)控電路組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)框圖

總線控制器CPU與FPGA主要作用是實(shí)時(shí)采集電流跳閘信號(hào)、輸出狀態(tài)信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)，完成電機(jī)控制策略的實(shí)施。

其中，雙H橋功率主回路分別由功率離散量接口電路和功率離散量輸出電路組成；本設(shè)計(jì)中控制器產(chǎn)生的控制脈沖序列信號(hào)經(jīng)過(guò)上、下橋驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行相應(yīng)的放大來(lái)直接驅(qū)動(dòng)作用在電機(jī)兩相繞組上的MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，在反時(shí)限保護(hù)電路中，系統(tǒng)根據(jù)電流特性設(shè)置相應(yīng)跳閘信號(hào)，用來(lái)保護(hù)后級(jí)輸出電路。最后，輸出監(jiān)控電路主要用于機(jī)上自動(dòng)測(cè)試功能。

3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

3.1 邏輯總體設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制邏輯單元的控制框圖如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制功能。

圖3 步進(jìn)電機(jī)邏輯控制框圖

從圖3可以看出，通過(guò)SPI接口，總線控制器將接收到的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)信息以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送至FPGA邏輯控制單元，F(xiàn)PGA邏輯控制單元對(duì)接收到的控制命令進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析，從而控制步進(jìn)電機(jī)以給定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA邏輯主要由SPI接口、總線數(shù)據(jù)包解析、步進(jìn)電機(jī)控制邏輯三部分組成，電機(jī)控制邏輯依據(jù)配置命令，實(shí)現(xiàn)8路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。

3.2 SPI接口設(shè)計(jì)

SPI接口主要采用三線制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，工作于全雙工從模式狀態(tài)，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為16位，組成包頭識(shí)別碼+數(shù)據(jù)位的形式；采樣時(shí)刻設(shè)置成系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿，移位時(shí)刻設(shè)置成時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，空閑狀態(tài)下該鐘信號(hào)默認(rèn)輸出高電平，工作狀態(tài)中該時(shí)鐘信號(hào)默認(rèn)輸出低電平。另外，SPI接口設(shè)計(jì)采用同步時(shí)序電路。

3.3 數(shù)據(jù)包解析設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)包解析邏輯主要是依據(jù)SPI接口收到的數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的解析工作，繼而發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)必要的邏輯控制。數(shù)據(jù)包解析寄存器分配表如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)解析寄存器分配表

本數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為17位，其中1到16包數(shù)據(jù)為電機(jī)控制命令，第17包數(shù)據(jù)為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)反饋信息，每包數(shù)據(jù)由4位包頭和12位數(shù)據(jù)位組成。

3.4 步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制單元主要是根據(jù)數(shù)據(jù)包解析的結(jié)果來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，圖4所示為步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)遷移圖，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制功能。

圖4 步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換框圖

本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)共配置八個(gè)狀態(tài)，其中step1～step4作為兩相四拍步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)邏輯狀態(tài)；同時(shí)，在idle0～idle3這4種空閑狀態(tài)下，電機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)邏輯狀態(tài)。其中在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯中，PWM斬波信號(hào)斬波頻率設(shè)置成10 kHz，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為50 μs，根據(jù)電流反饋結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整斬波占空比。步進(jìn)電機(jī)控制單元依據(jù)啟動(dòng)頻率寄存器和啟動(dòng)步數(shù)寄存器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的軟啟動(dòng)加速曲線，通過(guò)調(diào)節(jié)斬波控制寄存器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的恒流控制。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)借助于步進(jìn)電機(jī)力矩實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在不同負(fù)載下的工作特性，電機(jī)參數(shù)如下：A、B相電阻4.6 Ω，步距角1.8°，最大失步轉(zhuǎn)速1250 Hz，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為兩相雙四拍。電機(jī)起動(dòng)頻率從400 Hz以拋物線加速方式迅速上升至750 Hz，實(shí)驗(yàn)通過(guò)RVDT信號(hào)采集檢測(cè)電機(jī)失步情況。圖5所示為電機(jī)A相電流和驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制波形。

圖5 A相電流及驅(qū)動(dòng)信號(hào)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱管理系統(tǒng)對(duì)電驅(qū)伺服閥的性能要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)代民用飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱管理系統(tǒng)中電機(jī)拖動(dòng)的閥門(mén)的可靠性和耐環(huán)境要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)伺服閥控制器，選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)源，利用FPGA強(qiáng)大數(shù)據(jù)的吞吐量、靈活的系統(tǒng)配置能力，完成多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)高精度伺服控制，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)環(huán)境溫度、壓力和熱能量的調(diào)整。本設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，擴(kuò)展性強(qiáng)，通用性好、可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用與其他伺服控制系統(tǒng)。