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一種基于FPGA的三坐標(biāo)測量機電機控制系統(tǒng)
發(fā)布時間：2017-11-22
引言
隨著工業(yè)的發(fā)展,三坐標(biāo)測量機越來越顯示出其重要作用。而電機控制系統(tǒng)對三坐標(biāo)測量機的運行有著非常重要的作用。由于FPGA可以現(xiàn)場可編程,可以實現(xiàn)專用集成電路,能滿足片上系統(tǒng)設(shè)計(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的電機控制系統(tǒng),用于控制三坐標(biāo)測量機電機運行。
1控制系統(tǒng)概述
系統(tǒng)主要由PC、控制電路、驅(qū)動器[2]和電機組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。其中PC,由VC++實現(xiàn)用戶界面,發(fā)出的命令由FPGA進行接收和緩存,單片機進行分析處理產(chǎn)生控制命令,控制命令再經(jīng)過FPGA傳入驅(qū)動器,控制電機運行。同時電機狀態(tài)信息反饋回PC機,用于人機交互。系統(tǒng)中FPGA選用的是Altera公司的Cyclone系列[3-4]。
2系統(tǒng)功能實現(xiàn)
2.1編碼器進行速度、位移量測量的實現(xiàn)方法
編碼器為傳感器類的一種,主要用來偵測機械運動的速度、位置、角度、距離或計數(shù),在電機控制中用于換相、速度及位置的檢出,作用十分重要。光電編碼器具有分辨率高,響應(yīng)速度快,體積小,重量輕,耐惡劣環(huán)境等特點,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)系反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向,若A超前于B表明編碼器是順時針旋轉(zhuǎn)的;反之,編碼器為逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)增量編碼盤的細(xì)分?jǐn)?shù)為N時,增量編碼盤的每一個脈沖代表的角位移為360°/N,A、B信號的頻率相同,頻率大小反映當(dāng)前電機速度,由這兩個信號就可得到電機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速[6]。在A和B的上升沿和下降沿計數(shù)器均做相應(yīng)變化,得到count脈沖,在FPGA中計數(shù),即可得到編碼器輸出的脈沖數(shù),經(jīng)過計算就可以得到電機一定時間內(nèi)實際走過的路程或者單位時間內(nèi)的速度。本系統(tǒng)主要在FPGA中編程實現(xiàn)對編碼器的硬件解碼。主要程序如下:
其中,cnt為十六位寄存器,shift_a =2'b01和shift-b=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。電機編碼器硬件解碼程序仿真模擬后效果如圖2所示。圖2中number為FPGA計算所得的編碼器輸出脈沖數(shù)。
2.2脈沖控制實現(xiàn)運動過程
利用脈沖控制電機速度即利用脈沖頻率決定電機速度。這種方法能夠得到較高的運行精度,適用于三坐標(biāo)機電機控制系統(tǒng)。首先,上位機給定運行速度,命令傳到單片機,單片機進行計算,獲得單位脈沖周期內(nèi)需要時鐘數(shù),再將數(shù)據(jù)傳入FPGA,由其相應(yīng)模塊處理。FPGA中相應(yīng)的處理模塊實現(xiàn)的基本原理是:根據(jù)單片機給出的時鐘數(shù)進行判定。程序開始運行,開始計數(shù)周期,時鐘數(shù)目不斷累加,當(dāng)累加數(shù)目到達(dá)單片機給定值的時候完成一個計數(shù)周期。然后計數(shù)器清零,重新開始計數(shù),輸出信號狀態(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為計數(shù)器,currentSpd為單片機計算所得的時鐘數(shù),puls為輸出脈沖。電機運動加速的過程就是一個脈沖頻率逐漸加大的過程,也就是說單位周期內(nèi)時鐘數(shù)量逐漸增加的過程。相應(yīng)的減速過程與之相反。勻速過程則是一個以給定頻率保持不變的運動過程。圖3便是一個勻速、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。限位功能的實現(xiàn)需要由限位開關(guān)實現(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)運動的金屬物體接近開關(guān)的感應(yīng)面而達(dá)到動作距離時,便無接觸無壓力的自動發(fā)出檢測信號,用于驅(qū)動器,也可以將其輸出信號送入控制單元,以控制系統(tǒng)動作[8]。電機運行過程中,如果運動軸到達(dá)限位開關(guān),即產(chǎn)生限位信號,信號傳到控制電路,FPGA接收限位信號,做出處理后發(fā)出停止前進信號傳給驅(qū)動器,驅(qū)動器控制電機停止,避免發(fā)生碰撞危險。一旦出現(xiàn)限位,前進命令即被禁止,電機只能帶動運行軸反方向運行,在運行軸反向運動同時單片機監(jiān)測FPGA測得編碼器反饋的位移值,如果判斷運行軸反方向運動的位移值達(dá)到安全值,便認(rèn)定限位解除,電機運行恢復(fù)正常狀態(tài)。
3結(jié)論
本文較為詳細(xì)的介紹了一種基于FPGA的三坐標(biāo)測量機電機控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了較為精確的電機運行控制,實現(xiàn)了運行狀態(tài)監(jiān)測和限位,運行過程中遇到危險時能夠及時停止,運動整體的安全性有了很大保障。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
