基於FPGA的伺服驅動器分周比設計與實現

2020-12-06 電子產品世界

　　引 言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/275082.htm

　　電動機是各類數控工具機的重要執行部件。要實現對電動機的精確位置控制，轉子的位置必須能夠被精確的檢測出來。光電編碼器是目前最常用的檢測器件。光電編碼器分為增量式、絕對式和混合式。其中，增量式以其構造簡單，機械壽命長，易實現高解析度等優點，已被廣泛採用。增量式光電編碼器輸出有A，B，Z三相信號，其中A相和B相相位相差90°，Z相是編碼器的「零位」，每轉只輸出一個脈衝。在應用中，經常需要對A相、B相正交脈衝按照一定的比例，即分周比進行分頻。分頻的難點是，無論設定分周比是整數還是分數，分頻後輸出的A'相，B'相脈衝仍然要保持正交或近似正交。為此提出一種基於FPGA的整數分周比實現方法。該方法邏輯結構簡單，配置靈活，易於擴展，具有很高的實用價值。

　　1 電子齒輪比與分周比

　　電子齒輪比與分周比是數控工具機和數控加工中心中一個很重要的概念。國外大部分伺服驅動裝置有電子齒輪比和分周比功能，其中電子齒輪比KEG為伺服電機實際執行的脈衝量與指令脈衝量之比，分周比KDF是伺服驅動器接收到來自伺服電動機軸上脈衝編碼器的脈衝量與實際反饋到上位伺服控制系統(CNC)上脈衝量的比。配合使用電子齒輪比和分周比功能，用戶可以方便地實現整數脈衝當量，從而避免中間計算出現量化誤差，在不修改G代碼的情況下，將代碼直接移植到配備不同電機編碼器線數或者不同螺距絲槓的工具機或者加工中心。

　　電子齒輪比和分周比可以按照下式計算求得。

　　

 

　　式中：PG為電機光電編碼器線數，單位為P/rev(脈衝/轉);P為絲槓螺距，單位為mm/rev(毫米/周);△l為脈衝當量，單位為mm/P(毫米/脈衝);m/n為減速比。

　　

 

　　電子齒輪比可以利用脈衝頻率的變換實現，而對於分周比，由於驅動器反饋到CNC的脈衝量一般採用正交脈衝序列，故分周比的實現相對於齒輪比要困難。國外的各種驅動器一般都帶有分周比功能，對利用FPGA實現分周比進行研究和探討，電子齒輪比、分周比功能示意圖如圖1所示。

　　

 

　　2 分周比的原理框圖

　　分周比功能的實現結構如圖2所示。

　　

 

　　分周比的實現需要3個功能模塊：四倍頻模塊QD-PF、分頻模塊DF、正交序列生成模塊OSG。QDPF模塊的輸入為正交脈衝序列，輸出為方向信號和四倍頻後的脈衝。DF模塊可實現輸入脈衝的三分頻。DF內部是一個增減計數器，根據輸入的方向信號進行增、減計數，正向計至設定的正閾值後輸出一個脈衝和正方向信號，負向計至設定的負閾值後輸出一個脈衝和負方向信號。當計數值在正負閾值之間時，即使電機方向發生變化，甚至抖動，輸出方向信號都保持不變。

　　OSG模塊用輸入脈衝沿觸發內部狀態機進行狀態轉換，根據輸入的方向信號判決要跳轉的狀態，從而產生正交信號和方向信號。

　　3 仿真研究

　　根據圖2，利用ACTEL公司的Libro 8.1開發平臺，採用VHDL硬體語言，創建了相應的功能模塊，原理圖如圖3所示。

　　

 

　　圖3中，PA205，PB206分別是原始差分信號的A相、B相的輸入引腳。信號經QDPF四倍頻後將方向信號和脈衝信號輸出給DF分頻模塊。經DF分頻後將脈衝、方向信號輸出給正交脈衝生成模塊OSG，產生帶相位的正交信號，最後從PA119，PB120反饋到CNC。下面對主要模塊做分別介紹。

　　四倍頻模塊QDPF：正交信號的四倍頻方法有很多種，在很多資料中都涉及，在此不做詳細介紹。

　　分頻模塊DF按照初始化配置的分周比或者預先設定的分周比，對輸入CLK_IN引腳的脈衝序列分頻。內部的增、減計數器根據輸入DIR_IN引腳的方向信號對輸入脈衝進行增(DIR_IN=1)或減(DIR_IN=0)計數，增計數至正閾值時輸出一個脈衝和正方向信號(DIR_OUT=1)，減計數至負閾值是輸出一個脈衝和負方向信號(DIR_OUT=0)。若計數值在正、負閾值之間時，不論電機反向，還是在閾值見抖動，即方向反覆變化，輸出方向信號都保持不變。這是能正確實現分頻的關鍵，如果這一步處理不好，電機定位後可能會出現不斷向CNC發脈衝的情況。以三分頻為例，即計數器增計數至3後輸出一個正脈衝(正方向信號+脈衝)，計數器減計數至-3後輸出一個負脈衝(負方向信號+脈衝)。計數值在(-3，3)時，計數器只對脈衝計數而不輸出。對QDPF 的仿真結果如圖4所示。

　　

 

　　OSG被脈衝信號的上升沿觸發後，根據當前狀態和方向信號，跳到下一個狀態。當方向信號為正時，按照外環的逆時針方向切換狀態，產生A'相超前B'相 90°的正交脈衝序列;當方向信號為負時，按照內環的順時針方向切換狀態，產生B'相超前A'相90°的正交脈衝序列，仿真如6所示。

　　

 

　　圖6中，dir為方向信號，其跳變沿即方向變化處。由圖6可見，電機正轉時順序為10→11→01→00(反向)→01→11→10→…。實現了相位隨輸入信號的切換。

　　

 

　　最後，對分周比功能整體結構進行仿真，輸入為正交的脈衝序列。輸入模仿實際電機光電編碼器脈衝輸出對脈衝相位反覆切換以驗證電機定位後的輸出。仿真如圖7所示。

　　

 

　　從圖7中可見，當輸入信號pula，pulb相位不斷切換時，輸出pula1，pulb1按照3分頻，滿足3或-3後輸出新的正交序列。實際實驗波形如圖8所示。

　　

 

　　圖8中，波形1、波形2分別是光電編碼器輸出的A相、B相正交脈衝。波形3、波形4分別是對A相、B相正交脈衝3分頻後的A'相、B'相正交脈衝。觀察圖 7，圖8，結果一致。用此方案實現的分周比已經成功應用於高精度伺服驅動器中，在實際應用中反覆驗證，未發現誤差。

　　4 結 語

　　本文提出的分周比實現方法可以準確地將光電編碼器輸出的正交信號按照設定的分周比進行分頻。通過設定分頻比可以實現1～256倍的分頻，甚至更高。在實際系統中，還可以利用MCU通過總線在線配置分周比。假如要實現分數比例的分周比，也只需在本方案基礎上稍加改進即可。

fpga相關文章:fpga是什麼

伺服電機相關文章:伺服電機工作原理

脈衝點火器相關文章:脈衝點火器原理

相關焦點

  • 伺服驅動器的工作原理
    為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用全數字式交流伺服電機作為執行電動機。在控制方式上用脈衝串和方向信號實現。  一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。 目前，主流的伺服驅動器均採用數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較複雜的控制算法，實現數位化、網絡化和智能化。
  • 伺服驅動器的工作模式與伺服驅動器的測試方法
    伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，伺服驅動器其作用類似於變頻器作用於普通交流馬達，屬於伺服系統的一部分。目前主流的伺服驅動器均採用數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較複雜的控制算法，實現數位化、網絡化和智能化。
  • 數字交流伺服驅動器實現方案
    摘要：　　交流伺服驅動器的控制包括信號的測量、濾波、整形、核心算法的實時完成，驅動信號的產生和系統的監控、保護等功能。　　引言　　國際整流器件公司針對高性能交流伺服驅動的需求，設計出了基於硬體實現的完整的伺服驅動控制單片解決方案IRMCK201, 適用不同類型的永磁或交流感應電機，具有編碼器位置反饋接口，將運動控制算法通過硬體實現，從而省略了編程任務，達到實時控制的目的。
  • 音圈電機伺服驅動器與運動機構設計
    編者按：為滿足一類音圈直流伺服電機的高速振動定位精度工作的精度需求，研發了一種高性能的音圈電機高精度位置定位設備。基於ARMCortex M3系列的STM32F103VCT6處理器設計了音圈直流伺服電機控制系統。
  • 基於FPGA的RCN226絕對式編碼器通信接口設計
    0 引言 光電碼盤是一種基本的位置、速度檢測反饋單元，非常廣泛地應用於變頻器、直流伺服、交流伺服等系統的閉環控制中。為了減小體積，絕對式編碼器一般採用串行通信方式輸出絕對編碼，針對伺服電機控制等高端場合，為了滿足快速的電流環、速度環、位置環的控制需要，編碼輸出的速度又應該非常快，這些不利因素都對絕對式編碼的接收增加了難度。 絕對式編碼器廠家大多為其編碼器配套了接收晶片，實現串行編碼到並行編碼的轉換，便於控制器的讀取操作。
  • 永磁同步伺服電機驅動器原理
    我們的交流永磁同步驅動器其集先進的控制技術和控制策略為一體，使其非常適用於高精度、高性能要求的伺服驅動領域，還體現了強大的智能化、柔性化是傳統的驅動系統所不可比擬的。目前主流的伺服驅動器均採用數位訊號處理器(DSP)作為控制核心，其優點是可以實現比較複雜的控制算法，事項數位化、網絡化和智能化。
  • 詳解伺服驅動器和變頻器的區別
    一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。   　　伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。
  • 通用型與脈衝型伺服驅動器的區別
    伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用 。
  • 永磁同步伺服電機(PMSM)驅動器原理
    永磁交流伺服系統的驅動器經歷了模擬式、模式混合式的發展後，目前已經進入了全數字的時代。全數字伺服驅動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發揮了數字控制在控制精度上的優勢和控制方法的靈活，使伺服驅動器不僅結構簡單，而且性能更加的可靠。現在，高性能的伺服系統，大多數採用永磁交流伺服系統其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數字交流永磁同步伺服驅動器兩部分。
  • 淺談伺服驅動器動力電和控制電
    一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。   　　伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。
  • 基於DSP和FPGA的機器人聲控系統設計與實現
    2 系統硬體總體設計 系統的硬體功能是實現語音指令的採集和步進電機的驅動控制，為系統軟體提供開發和調試平臺。如圖1所示。 系統硬體分為語音信號的採集和播放，基於dsp的語音識別，fpga動作指令控制、步進電機及其驅動、dsp外接快閃記憶體晶片，jtag口仿真調試和鍵盤控制幾個部分。
  • 5分鐘快速了解伺服驅動器的原理與作用常識
    伺服驅動器是現代傳動技術的高端產品，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。
  • 優必選技術專家範文華深入講解伺服驅動器在機器人上的研究與應用
    常規伺服驅動器是機器人中應用比較多的設計方式，電機+大減速比齒輪+高剛度力矩傳感器，它的力矩測量是基於應變片原理，形變比較小，應用場景是傳統的雙足人形機器人，主要優點是高頻響應較好，技術比較成熟，輸出力矩大，控制精度高，但同時因為高剛度，造成了動態物理交互性能較差，在大衝擊的情況下容易損壞減速器。目前，在外界環境相對穩定的場景中應用比較合適。
  • 新型AC伺服電機/驅動器(08-100)
    在伺服與運動控制產品領域，多樣化一直是個鮮明的特點，包括從直流伺服驅動技術到交流伺服驅動技術，從模擬化到全數位化、智能化、網絡化，從單軸伺服到多軸伺服，從單機化到總線產品。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/91911.htm　　眾所周知，先進的伺服運動控制技術與解決方案的應用正是提升機器設備性能與檔次及市場競爭力的一個重要途徑。
  • 基於FPGA的永磁同步電機控制器設計
    摘要：提出一種基於FPGA的永磁同步電機控制器的設計方案，該設計可應用於具有高動態性能要求的永磁同步電機伺服控制系統。為提高伺服控制系統的實時性，簡化電路及節省成本，該系統設計採用Ahera公司生產的CycloneIII EP3C25Q240C8型FPGA器件實現電機控制器。嵌入NiosⅡCPU軟核配合片內硬體乘法器及可編程邏輯門陣列，實現軟硬體協同工作。通過QuartusⅡ軟體自帶的SignalTaplI嵌入式邏輯分析儀進行板上調試驗證，得到帶有死區輸出的PWM波形。
  • 基於STM32的永磁同步電機伺服控制器設計
    摘要：首先介紹了永磁同步電機伺服控制器的基本功能及控制原理，並以STM32F407為基礎進行了小功率的伺服控制器設計，詳細講述了伺服控制器的軟、硬體的具體設計流程及其實現方式。並通過意法半導體公司提供的相關軟體設計工具快速、有效地完成伺服控制器的設計、調試。
  • 伺服驅動器的過流故障與過電壓故障,伺服驅動器的常見故障維修
    目前主流的伺服驅動器均採用 數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較複雜的控制算法，實現數位化、網絡化和智能化。功率器件普遍採用以 智能功率模塊（IPM）為核心設計的 驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主迴路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的衝擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。
  • 六安市安川伺服驅動器維修廠家
    六安市安川伺服驅動器維修廠家六安市安川伺服驅動器維修廠家發格FAGOR伺服電機維修常州簡化零自動化科技淺析變頻器的工作原理是什麼？變頻器在現代工業上應用很廣，在電動機的控制，使交流電機，變速，變壓，調節功率，變得容易。
  • 基於FPGA與有限狀態機的高精度測角系統的設計與實
    光電編碼器是利用光柵衍射原理實現位移數字變換的，光電編碼器作為一種高精度的測角傳感器已普遍應用於伺服跟蹤系統中,它具有精度高、響應快、性能穩定可靠等優點。光電編碼器按編碼方式主要分為兩類：增量式與絕對式。由於增量式光電編碼器成本低、測角的精度高，因此本系統的增量式光電編碼器選用Renishaw公司的高精度圓光柵。
  • 伺服驅動器與變頻器的區別解析
    1、引言隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用全數字式交流伺服電機作為執行電動機。在控制方式上用脈衝串和方向信號實現。