一種基于FPGA的三坐標(biāo)測量機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)

1、控制系統(tǒng)概述

隨著工業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機(jī)越來越顯示出其重要作用。而電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)三坐標(biāo)測量機(jī)的運(yùn)行有著非常重要的作用。由于FPGA可以現(xiàn)場可編程，可以實(shí)現(xiàn)專用集成電路，能滿足片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)(SOC)的要求，使其日益成為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。[1]本文介紹一種基于FPGA的電機(jī)控制系統(tǒng)，用于控制三坐標(biāo)測量機(jī)電機(jī)運(yùn)行。

系統(tǒng)主要由PC機(jī)、控制電路、驅(qū)動(dòng)器[2]和電機(jī)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

其中PC 機(jī)，由VC++實(shí)現(xiàn)用戶界面，發(fā)出的命令由FPGA進(jìn)行接收和緩存，單片機(jī)進(jìn)行分析處理產(chǎn)生控制命令，控制命令再經(jīng)過FPGA傳入驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)運(yùn)行。同時(shí)電機(jī)狀態(tài)信息反饋回PC機(jī)，用于人機(jī)交互。系統(tǒng)中FPGA選用的是Altera公司的Cyclone系列。

2、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

下面分別介紹FPGA實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制功能的幾個(gè)重要部分。

2.1 編碼器進(jìn)行速度、位移量測量的實(shí)現(xiàn)方法

編碼器為傳感器類的一種，主要用來偵測機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、距離或計(jì)數(shù)，在電機(jī)控制中用于換相、速度及位置的檢出，作用十分重要?！」怆娋幋a器具有分辨率高，響應(yīng)速度快，體積小，重量輕，耐惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，故常被用作高精度位置檢測傳感器。它的精度或分辨率主要決定于每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)(對(duì)增量式編碼器而言) 。根據(jù)控制需要，還可以利用倍頻技術(shù)來提高位置檢測精度。[5]本系統(tǒng)使用增量式編碼器即增量編碼盤。

增量編碼盤輸出信號(hào)A 和B 具有90°的相位差。A和B的相位關(guān)系反映了被測對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向，若A 超前于B ，表明編碼器是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，反之，編碼器為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)增量編碼盤的細(xì)分?jǐn)?shù)為N 時(shí)，增量編碼盤的每一個(gè)脈沖代表的角位移為360° /N，A、B 信號(hào)的頻率相同，頻率大小反映當(dāng)前電機(jī)速度，由這兩個(gè)信號(hào)就可得到電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。[6]如圖2所示，在A和B的上升沿和下降沿計(jì)數(shù)器均做相應(yīng)變化，得到count 脈沖，在FPGA中計(jì)數(shù)，即可得到編碼器輸出的脈沖數(shù)，經(jīng)過計(jì)算就可以得到電機(jī)一定時(shí)間內(nèi)實(shí)際走過的路程或者單位時(shí)間內(nèi)的速度。

本系統(tǒng)主要在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器的硬件解碼。主要程序如下：

if(shift_a == 2’b01)

begin

if(b)

cnt <= #2 cnt - 1’b1;

else

cnt <= #2 cnt + 1’b1;

end

else if(shift_a == 2’b10)

begin

if(b)

cnt <= #2 cnt + 1’b1;

else

cnt <= #2 cnt - 1’b1;

end

else if(shift_b == 2’b01)

begin

if(a)

cnt <= #2 cnt + 1’b1;

else

cnt <= #2 cnt - 1’b1;

end

else if(shift_b == 2’b10)

begin

if(a)

cnt <= #2 cnt - 1’b1;

else

cnt <= #2 cnt + 1’b1;

其中，cnt為十六位寄存器，shift_a =2’b01和shiftb=2’b01分別表示A和B出現(xiàn)上升沿，同理如果是等于2’b10則表示下降沿。電機(jī)編碼器硬件解碼程序仿真模擬后效果如圖3所示。圖中number為FPGA計(jì)算所得的編碼器輸出脈沖數(shù)。

2.2 脈沖控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程

利用脈沖控制電機(jī)速度即利用脈沖頻率決定電機(jī)速度。這種方法能夠得到較高的運(yùn)行精度，適用于三坐標(biāo)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)。首先，上位機(jī)給定運(yùn)行速度，命令傳到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，獲得單位脈沖周期內(nèi)需要時(shí)鐘數(shù)，再將數(shù)據(jù)傳入FPGA，由其相應(yīng)模塊處理。FPGA中相應(yīng)的處理模塊實(shí)現(xiàn)的基本原理是：根據(jù)單片機(jī)給出的時(shí)鐘數(shù)進(jìn)行判定。程序開始運(yùn)行，開始計(jì)數(shù)周期，時(shí)鐘數(shù)目不斷累加，當(dāng)累加數(shù)目到達(dá)單片機(jī)給定值的時(shí)候完成一個(gè)計(jì)數(shù)周期。然后計(jì)數(shù)器清零，重新開始計(jì)數(shù)，輸出信號(hào)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。程序如下所示：

if(cnt >= currentSpd)

begin

puls <= ~puls;

cnt <= 25’h1;

end

else

cnt <= cnt + 1’b1;

其中cnt為計(jì)數(shù)器，currentSpd為單片機(jī)計(jì)算所得的時(shí)鐘數(shù)，puls為輸出脈沖。電機(jī)運(yùn)動(dòng)加速的過程就是一個(gè)脈沖頻率逐漸加大的過程，也就是說單位周期內(nèi)時(shí)鐘數(shù)量逐漸增加的過程。相應(yīng)的減速過程與之相反。勻速過程則是一個(gè)以給定頻率保持不變的運(yùn)動(dòng)過程。下圖便是一個(gè)勻速、減速的仿真結(jié)果。

2.3 限位和解除限位的方法

最后講述限位及其解除方法。在電機(jī)控制過程中應(yīng)用限位是一種減少事故發(fā)生的有效方法。限位功能的實(shí)現(xiàn)需要由限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)。限位開關(guān)按其檢測方式可分為接觸式(行程開關(guān))和非接觸式(接近開關(guān))。[7]本系統(tǒng)采用非接觸式。接近開關(guān)式一種非接觸式檢測，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的金屬物體接近開關(guān)的感應(yīng)面而達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，便無接觸無壓力的自動(dòng)發(fā)出檢測信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)器，也可以將其輸出信號(hào)送入控制單元，以控制系統(tǒng)動(dòng)作。[8]電機(jī)運(yùn)行過程中，如果運(yùn)動(dòng)軸到達(dá)限位開關(guān)，即產(chǎn)生限位信號(hào)，信號(hào)傳到控制電路，F(xiàn)PGA接收限位信號(hào)，做出處理后發(fā)出停止前進(jìn)信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)停止，避免發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)限位，前進(jìn)命令即被禁止，電機(jī)只能帶動(dòng)運(yùn)行軸反方向運(yùn)行，在運(yùn)行軸反向運(yùn)動(dòng)同時(shí)單片機(jī)監(jiān)測FPGA測得編碼器反饋的位移值，如果判斷運(yùn)行軸反方向運(yùn)動(dòng)的位移值達(dá)到安全值，便認(rèn)定限位解除，電機(jī)運(yùn)行恢復(fù)正常狀態(tài)。

3、總結(jié)

本文較為詳細(xì)的介紹了一種基于FPGA的三坐標(biāo)測量機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了較為精確的電機(jī)運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和限位，運(yùn)行過程中遇到危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)停止，運(yùn)動(dòng)整體的安全性有了很大保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 王開軍 基于FPGA的測控技術(shù)研究及應(yīng)用 中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫

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[4] Cyclone FPGA Family Datasheet ALTERA Corporation March 2003

[5]張團(tuán)善 陳朝奎 光電編碼器的單片機(jī)減振電路設(shè)計(jì) 國外電子測量技術(shù) 2005年第8期

[6] 吳振宇 李策 馮林 一種基于DSP和FPGA的多路微特電機(jī)控制系統(tǒng) 微特電機(jī) 2007年第一期

[7] 劉井燕 限位開關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例 自動(dòng)化博覽

[8] 羅濤 接近開關(guān)的原理應(yīng)用及發(fā)展趨勢 電子技術(shù)應(yīng)用 1993年第七期