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FPGA在步進電機控制中的應(yīng)用
2022-06-20

FPGA在步進電機控制中的應(yīng)用 　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。可以通過控制脈沖數(shù)來控制步進電機的角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于步進電機控制簡單、運行可靠，所以被廣泛應(yīng)用于各種控制裝置中。 　　電機鐵芯扭槽疊扣沖壓控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)模具加工智能化控制要求，為企業(yè)設(shè)計的實用性產(chǎn)品，其要求是對高速沖床附加一智能模具控制器，該控制器在不影響沖床原有的運行及控制的基礎(chǔ)上，采集相關(guān)的輸入信號，并實現(xiàn)對所沖模具的有效控制。本文設(shè)計的控制器要求扭槽模具每沖一片后移動一個步距到達(dá)另一個特定位置，再沖另一片，連續(xù)沖出的鐵芯片，經(jīng)疊壓后，形成所要求的扭槽形狀?？刂葡到y(tǒng)強調(diào)鐵芯加工過程中的角度位移控制，希望具有足夠高精度的步距角，并且運行穩(wěn)定性好。控制系統(tǒng)選用了兩相混合型步進電機作為位置控制機構(gòu)，通過FPGA的控制，將輸入的脈沖信號線性地轉(zhuǎn)換為位移量，從而控制電機鐵芯的扭槽。 　　傳統(tǒng)步進電機控制電路的實現(xiàn)多用單片機或?qū)Ｓ媒涌谛酒?，此類方法存在單片機易受電機干擾，專用接口芯片使用靈活性差等缺點。本文提出的利用FPGA實現(xiàn)步進電機控制的方案，具有修改方便、使用靈活、可靠性高、可移植性強等優(yōu)點。 　　1 控制系統(tǒng)的硬件組成 　　步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由FPGA實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)中的核心芯片是FPGA，如虛線所示。它由兩大功能模塊組成：a．速度控制模塊，核心是鎖相環(huán)PLL宏模塊電路，它在不同速度控制信號作用下，可將經(jīng)時鐘分頻器分頻后的系統(tǒng)時鐘改變?yōu)椴煌腜WM信號，將此信號作為速度控制模塊的變頻時鐘，可達(dá)到改變步進電機速度的目的；b．方向控制模塊，核心是脈沖分配電路，在每一個變頻時鐘周期內(nèi)，脈沖分配器可在不同的方向控制信號下產(chǎn)生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機順2步進電機及其驅(qū)動器的選用步進電機可以用數(shù)字信號直接控制，隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進電機的應(yīng)用也越來越廣泛。 　　步進電機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅(qū)動電源(或驅(qū)動電路)。步進電機及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進電機的運行性能是由電動機和驅(qū)動電源兩者配合所形成的綜合效果。 　　本文選用的是北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司的86BYG250C型兩相混合步進電機，選用的驅(qū)動器是該公司生產(chǎn)的、與86BYG250C型步進電機相配套的MS2H090M型驅(qū)動器。該驅(qū)動器采取先進的細(xì)分技術(shù)，使電機運行更加平穩(wěn)。 　　86BYG250C步進電機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。 　　MS-2H090M型驅(qū)動器的主要性能參數(shù)如表2所示。 　　步進電機的驅(qū)動器根據(jù)控制信號工作，將FPGA提供的弱電信號放大為步進電機能夠接受的強電流信號。FPGA提供給MS-2H090M型驅(qū)動器的信號主要有步進脈沖信號CP和方向控制信號DIR，可用于步進電機的轉(zhuǎn)向控制，如圖2所示，通過改變發(fā)出的脈沖頻率可進行步進電機的速度控制。 　　MS-2H090M型驅(qū)動器用于驅(qū)動二相或四相混合式步進電機。電機的出線方式不同，與驅(qū)動器的連接也不同。在該控制系統(tǒng)中采用的電機86BYG250C為兩相四根線電機，接法如圖3所示。 　　3 步進電機的FPGA控制 　　3．1 步進電機的速度控制 　　在步進電機控制系統(tǒng)中，升速過程由突跳頻率加升速曲線組成(減速過程反之)。突跳頻率是指步進電機在靜止?fàn)顟B(tài)時突然施加的脈沖頻率fo必須小于啟動頻率fh，此頻率不可太大，否則也會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步。所以步進電機在啟動時，必須有升速過程，在停止時必須有減速過程。在本控制系統(tǒng)中，根據(jù)FPGA的性能特點，變速曲線采用直線細(xì)分原理，控制效果較好。步進電機加速過程中的頻率變化曲線如圖4所示。對應(yīng)于啟動頻率的上升，直線可以變化N個臺階，將頻率細(xì)分為N個值，用來驅(qū)動步進電機平滑啟動和停止，可防止失步和過沖現(xiàn)象。 　　3．2 步進電機的方向控制 　　方向控制模塊的核心是脈沖分配電路，它有兩個輸入信號：一個是PWM信號構(gòu)成的變頻時鐘，每輸入一個PWM脈沖，脈沖分配器的四相輸出時序?qū)l(fā)生一次變化，從而使步進電機轉(zhuǎn)動一步；另一個是方向控制信號，它的不同狀態(tài)將使脈沖分配器產(chǎn)生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向。根據(jù)四相八拍的控制方式，定子通電順序為(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。本系統(tǒng)采用了Mealy型狀態(tài)機描述方法，狀態(tài)取值依次是：SO=“0001”，S1=“0011”，S2=“0010”，S3=“0110”，S4=“10100”，S5=”110O”，S6=“1000”，S7=”1001”。按照控制時序的要求，用‘1’表示該繞組加電，‘0’表示該繞組斷電。方向控制模塊的狀態(tài)流程圖如圖5所示。 　　4 結(jié)論 　　步進電機是一種易于精確控制的電機，由于其良好的性能而得到廣泛應(yīng)用，其控制方法也多種多樣。本文介紹了在電機鐵芯扭槽疊扣沖壓控制系統(tǒng)中，使用FPGA控制步進電機的方法，該系統(tǒng)成本不高。通過編程方法，不但可以在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速，往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求，簡化了線路，降低了成本。

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