FPGA在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用

　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。可以通過控制脈沖數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于步進(jìn)電機(jī)控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，所以被廣泛應(yīng)用于各種控制裝置中。

　　電機(jī)鐵芯扭槽疊扣沖壓控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)模具加工智能化控制要求，為企業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)用性產(chǎn)品，其要求是對(duì)高速?zèng)_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(yùn)行及控制的基礎(chǔ)上，采集相關(guān)的輸入信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)所沖模具的有效控制。本文設(shè)計(jì)的控制器要求扭槽模具每沖一片后移動(dòng)一個(gè)步距到達(dá)另一個(gè)特定位置，再?zèng)_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。控制系統(tǒng)強(qiáng)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(yùn)行穩(wěn)定性好。控制系統(tǒng)選用了兩相混合型步進(jìn)電機(jī)作為位置控制機(jī)構(gòu)，通過FPGA的控制，將輸入的脈沖信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換為位移量，從而控制電機(jī)鐵芯的扭槽。

　　傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)多用單片機(jī)或?qū)Ｓ?a target="_blank">接口芯片，此類方法存在單片機(jī)易受電機(jī)干擾，專用接口芯片使用靈活性差等缺點(diǎn)。本文提出的利用FPGA實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的方案，具有修改方便、使用靈活、可靠性高、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 控制系統(tǒng)的硬件組成

　　步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開環(huán)控制，不需要反饋信號(hào)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由FPGA實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(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(hào)作用下，可將經(jīng)時(shí)鐘分頻器分頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘改變?yōu)椴煌腜WM信號(hào)，將此信號(hào)作為速度控制模塊的變頻時(shí)鐘，可達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)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(gè)變頻時(shí)鐘周期內(nèi)，脈沖分配器可在不同的方向控制信號(hào)下產(chǎn)生不同方向的步進(jìn)時(shí)序脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)順2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的選用步進(jìn)電機(jī)可以用數(shù)字信號(hào)直接控制，隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也越來越廣泛。

　　步進(jìn)電機(jī)需配置一個(gè)專用的電源供電，電源的作用是讓電動(dòng)機(jī)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(dòng)作，這個(gè)專用電源稱為驅(qū)動(dòng)電源(或驅(qū)動(dòng)電路)。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)互相聯(lián)系的整體，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能是由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)，選用的驅(qū)動(dòng)器是該公司生產(chǎn)的、與86BYG250C型步進(jìn)電機(jī)相配套的MS2H090M型驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采取先進(jìn)的細(xì)分技術(shù)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

　　86BYG250C步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　MS-2H090M型驅(qū)動(dòng)器的主要性能參數(shù)如表2所示。

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)工作，將FPGA提供的弱電信號(hào)放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的強(qiáng)電流信號(hào)。FPGA提供給MS-2H090M型驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)主要有步進(jìn)脈沖信號(hào)CP和方向控制信號(hào)DIR，可用于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的速度控制。

　　MS-2H090M型驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的出線方式不同，與驅(qū)動(dòng)器的連接也不同。在該控制系統(tǒng)中采用的電機(jī)86BYG250C為兩相四根線電機(jī)，接法如圖3所示。

　　3 步進(jìn)電機(jī)的FPGA控制

　　3．1 步進(jìn)電機(jī)的速度控制

　　在步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)突然施加的脈沖頻率fo必須小于啟動(dòng)頻率fh，此頻率不可太大，否則也會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步。所以步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有升速過程，在停止時(shí)必須有減速過程。在本控制系統(tǒng)中，根據(jù)FPGA的性能特點(diǎn)，變速曲線采用直線細(xì)分原理，控制效果較好。步進(jìn)電機(jī)加速過程中的頻率變化曲線如圖4所示。對(duì)應(yīng)于啟動(dòng)頻率的上升，直線可以變化N個(gè)臺(tái)階，將頻率細(xì)分為N個(gè)值，用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)平滑啟動(dòng)和停止，可防止失步和過沖現(xiàn)象。

　　3．2 步進(jìn)電機(jī)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(gè)輸入信號(hào)：一個(gè)是PWM信號(hào)構(gòu)成的變頻時(shí)鐘，每輸入一個(gè)PWM脈沖，脈沖分配器的四相輸出時(shí)序?qū)l(fā)生一次變化，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步；另一個(gè)是方向控制信號(hào)，它的不同狀態(tài)將使脈沖分配器產(chǎn)生不同方向的步進(jìn)時(shí)序脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)四相八拍的控制方式，定子通電順序?yàn)?A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。本系統(tǒng)采用了Mealy型狀態(tài)機(jī)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(shí)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(jìn)電機(jī)是一種易于精確控制的電機(jī)，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(jī)鐵芯扭槽疊扣沖壓控制系統(tǒng)中，使用FPGA控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求，簡(jiǎn)化了線路，降低了成本。