楊菁

摘要：本文提出一種采用FPGA對步進電機速度與位置控制的方法，建立一種步進電機驅動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用脈沖頻率實現(xiàn)步進電機速度控制，可防止失步和過沖，提高工作效率，并結合實際工作控制，結果表明該方法的可行性。

關鍵詞：短波發(fā)射機 FPGA控制模塊 步進電機 步進驅動器 光電控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）06-0007-02

直流電機是一種將電能轉換成機械位移的機構，是發(fā)射機的原機設計。但直流伺服電機及減速機構存在較大的誤差，原有的機械減速裝置不夠精確，誤差放大器在電路中由于機房的干擾原因會出現(xiàn)數(shù)值不對，容易過調，難以抓到所要求的位置。 在FPGA步進電機控制系統(tǒng)中，第一，采用每轉1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤取代原有的跟蹤電位器，用在電機控制板內的數(shù)字計數(shù)取代原有的8bit的A/D變換器，將極大提高計算精度；第二，采用諧波減速器來取代原有的機械減速裝置，可以很大程度地保護傳動裝置之間的連接銷釘；第三，取消原有的誤差放大器，將可調元件的實際位置采用光電碼盤的計數(shù)測量與要求的預置值進行數(shù)字運算比較，其誤差將在數(shù)字上等于零；第四，取消伺服放大器，調整小盒的輸出直接控制電機驅動電路驅動步進電機的轉動。

1 步進電機控制系統(tǒng)結構

1.1 系統(tǒng)概述

整個步進電機控制系統(tǒng)結合發(fā)射機的自身運行特點，以FPGA為步進核心，外連信息采集、頻率調度、報警保護等控制模塊，在發(fā)射機運行過程當中，由FPGA綜合外來信號條件，輸送出各路電機脈沖信號到步進電機驅動器，再到步進電機，進行實時的檢測，從而確保各調諧器件轉動位置的精確性，具有很好的多路通信能力、快速運算能力和抗干擾能力。

1.2 系統(tǒng)結構

步進電機控制系統(tǒng)結構，包括以下4個部分：

FPGA主控模塊，這里集中了短波發(fā)射機各個采集點所匯的信息，該部分涉及了短波發(fā)射機的開、關機，倒頻，各路電機位置驅動，各個調諧點的粗細調，各種過荷保護。其整體工作就是接收到命令后對發(fā)射機進行倒頻、調諧，即8路步進脈沖和方向電平輸出控制。

步進驅動控制器，F(xiàn)PGA輸出步進脈沖信號到步進驅動器，每接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

光電碼盤，通過光電碼盤跟隨電機齒輪取樣，邏輯對發(fā)送過來的電機預置位置和實際位置進行比較實，若預置位置大于實際位置，則送出正轉信號，反之送出反轉信號。

D＼A轉換模塊，控制步進電機時需要對輸出給繞組的脈沖進行分配。根據(jù)統(tǒng)一時鐘，輸出地址對ROM進行掃描，從ROM輸出被掃描地址中存放的細分代碼。細分代碼為一定位寬的數(shù)字信號，經(jīng)D＼A電路轉換成相應的模擬量并進行功率放大，以驅動步進電機。

2 FPGA控制能力實現(xiàn)

FPGA功能控制主要包括粗調控制、細調控制、自動|手動控制，具體包括：粗調控制，當發(fā)射機進行播音時，先要將各路電機調諧到預置位置，以快速運轉到指定位置；細調控制，主要控制1、3、5路電容，細分值取決于各路驅動器的設置，也可以進行手動細分操作；自動|手動控制，除了自動調諧外，當要求手動時：由A9發(fā)出FREE信號，使其信號置低，使電機脫機進行手動，手動信號通過DIR來控制電機的正轉反轉。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制；與ARM通信功能，ARM可以通過SPI接口對FPGA內部的寄存器進行配置和讀取；步進電機正反轉，實現(xiàn)對步進電機的正反向控制；限位控制功能，在步進電機上還設有上下限位，分別為光限位和機械限位。光限位在機械限位之前，通過對發(fā)光二極管的光擋，達到控制電機的停轉。如果失效，后面還有機械限位來控制電機的停轉，以達到雙重保護的作用，這樣電機就不會過調而損壞到元件。

2.1 粗調控制設計

由FPGA控制套箱A9的主芯片向各路電機發(fā)出粗調信號。在EPROM中存儲有發(fā)射機在不同工作頻率下多路調諧元件所對應的最佳位置信息，從中取出要調頻率所對應的每一個調諧元件的位置信息送給FPGA主芯片SPT-200。將各路預置位置信息轉化為脈沖數(shù)字信號傳送到步進電機上，同時從A/D轉換器中讀回各調諧元件當前所處的位置信息，將二者位置信息進行比較，由判斷邏輯按其差值的大小和極性來控制步進電機的轉速和方向，直至二者的差值為零，即達到所調頻率的位置，并將輸入端切換到鑒相器3A4，接通高頻，準備細調。

2.2 細調控制設計

整機的工作細調過程如下：

前級調諧：細調一路，進入前級細調操作，禁止高末級細調。將前級柵壓轉換至正常值，前級步進電機驅動器接受來自A9的信號，而A9實時接受來自1路前級鑒相器3A4的誤差信號開始細調。當誤差為正時，電機順轉，數(shù)值下降；當誤差為負時，電機反轉，數(shù)值上升，直至誤差為零。末級調諧：前級調諧結束后啟動3路5路電容細調，并禁止前級驅動器工作，其簾柵電壓和高頻激勵均處于較低的狀態(tài)運行，方式同上，但其誤差信號分別是來自末級鑒相器和末級鑒阻器。

2.3 速率與方向控制

發(fā)射機的步進電機控制關鍵在于兩點，一是加減速的控制，二是方向的控制。

加減速的控制：由步進電機的特性可知（如圖3），步進電機的輸出轉矩和脈沖頻率是成反比的，同時轉矩越小，帶載能力越差，比如轉動6路電感時就需要大的力矩，但在停止的時候，又要注意它的制動，不能過沖。因此，步進電機的運行需要經(jīng)過加速、均速、減速三個階段，前后兩個階段的時間要短，均速的時間要長。這樣，就要對輸入的脈沖信號自身提出要求：升降速曲線控制邏輯送出控制電機的脈沖信號，并且控制脈沖的頻率，使電機能夠平穩(wěn)的升降速。

方向的控制：步進電機的位置采用旋轉碼盤進行定位，通常，旋轉碼盤有三相輸出，旋轉波，A相和B相輸出占空比為50%的方波。碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。當碼盤正向旋轉時，A相比B相超前四分之一個周期；當碼盤反向旋轉時，B相比A相超前四分之一個周期。通過對該波形的處理得到碼盤的方向信號和計數(shù)脈沖，送入實際位置計數(shù)器，利用方向信號控制計數(shù)器的加減，利用脈沖控制計數(shù)。并且控制脈沖的頻率，使電機能夠平穩(wěn)的升降速。

2.4 光電碼盤反饋控制

在每個步進電機以及傳動裝置上都裝有一個與被調元件機械聯(lián)動的光電碼盤，改變其機械轉動圈數(shù)即可改變其電參量，比如：1路預置數(shù)值是854，那么當電機因慣性而轉過頭幾個數(shù)值，如859，那么光電碼盤就會同樣轉到859的位置，并同時將信息傳送到鑒相器，再由它到A9主芯片中，主芯片便會發(fā)出倒轉信號，直至電機轉到854為止。

3 性能測試

3.1 測試方法

為驗證系統(tǒng)功能的可行性，以北廣150kwPSM短波發(fā)射機，8路驅動位置為基礎，通過不同的設置條件，由控制器控制電機加減速，用光電碼盤檢測電機所實際運行的步數(shù)來判斷電機是否發(fā)生過沖和失步，步進電機采用型號為85BYGH450A型。

3.2 實驗結果及分析

以MS型2H080M的步進電機驅動器進行性能測試，它有16種步數(shù)，最大細分數(shù)達200即40000步/轉，此電機固定設置為細分40，即步距角為8000轉/秒，相電流為4.6A。由外部控制系統(tǒng)輸入步進電機的轉動步數(shù)和控制參數(shù)，通過步進電機控制系統(tǒng)左右，按要求進行轉動，到位精確，沒有誤差，具體測試數(shù)據(jù)如表1。

3.3 實驗結論

在各個驅動電路中，都能完成準確的驅動位置。失步的情況，也是由負載或是加速度過快引起的，只要注意負載和電機設定加速度即可，在溫度在70℃以下，均未出現(xiàn)任何退磁情況，因為磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，當然在正常的環(huán)境下一般很難達到如此高的溫度，只有在特殊的行業(yè)內，需要做好溫度監(jiān)控，以確保電機的正常運轉。步進信號死機或單方向走，是在干擾情況下極少出現(xiàn)的，表現(xiàn)為出現(xiàn)步進電機接收信號時死機，或不能正常接收系統(tǒng)發(fā)來的驅動數(shù)值，因而無法帶動所要的傳動裝置進行短波發(fā)射機的調諧工作，整機不能正常進入工作狀態(tài)。重新啟動后，基本能恢復正常。重啟的作用是達到信息的復位，簡潔化，不讓堵塞的數(shù)據(jù)堵住數(shù)據(jù)端口，讓數(shù)據(jù)信息正確地進入到調諧電機中。

4 結語

本文提出的步進電機發(fā)射機驅動控制系統(tǒng)能夠很好地滿足用戶設定的控制要求，對各個控制部分進行精準的細分控制，提高發(fā)射機的控制準確性，同時可隨用戶參數(shù)的變化而變化，并且做出相應的存儲。無需再編寫新的驅動程序。目前，這套系統(tǒng)已陸續(xù)運用到其他同機型單位，優(yōu)點突出，實際效果明顯，不同于原來的直流伺服電機控制系統(tǒng)，具有很高的實用價值。經(jīng)實際工作驗證，此步進電機驅動控制系統(tǒng)在短波發(fā)射機控制領域具有實用性和靈活性。

參考文獻

[1]黃曉兵.THB-522型150KW短波發(fā)射機維護手冊[A].北京：中國書籍出版社，2011 P148-152.

[2]TBH-522型短波發(fā)射機自動控制技術說明書[A].北京：福昊達科技開發(fā)有限公司出版，2006.

[3]李曉菲，胡泓，王煒.步進電機加減速控制規(guī)律[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2006.1.

方向的控制：步進電機的位置采用旋轉碼盤進行定位，通常，旋轉碼盤有三相輸出，旋轉波，A相和B相輸出占空比為50%的方波。碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。當碼盤正向旋轉時，A相比B相超前四分之一個周期；當碼盤反向旋轉時，B相比A相超前四分之一個周期。通過對該波形的處理得到碼盤的方向信號和計數(shù)脈沖，送入實際位置計數(shù)器，利用方向信號控制計數(shù)器的加減，利用脈沖控制計數(shù)。并且控制脈沖的頻率，使電機能夠平穩(wěn)的升降速。

2.4 光電碼盤反饋控制

在每個步進電機以及傳動裝置上都裝有一個與被調元件機械聯(lián)動的光電碼盤，改變其機械轉動圈數(shù)即可改變其電參量，比如：1路預置數(shù)值是854，那么當電機因慣性而轉過頭幾個數(shù)值，如859，那么光電碼盤就會同樣轉到859的位置，并同時將信息傳送到鑒相器，再由它到A9主芯片中，主芯片便會發(fā)出倒轉信號，直至電機轉到854為止。

3 性能測試

3.1 測試方法

為驗證系統(tǒng)功能的可行性，以北廣150kwPSM短波發(fā)射機，8路驅動位置為基礎，通過不同的設置條件，由控制器控制電機加減速，用光電碼盤檢測電機所實際運行的步數(shù)來判斷電機是否發(fā)生過沖和失步，步進電機采用型號為85BYGH450A型。

3.2 實驗結果及分析

以MS型2H080M的步進電機驅動器進行性能測試，它有16種步數(shù)，最大細分數(shù)達200即40000步/轉，此電機固定設置為細分40，即步距角為8000轉/秒，相電流為4.6A。由外部控制系統(tǒng)輸入步進電機的轉動步數(shù)和控制參數(shù)，通過步進電機控制系統(tǒng)左右，按要求進行轉動，到位精確，沒有誤差，具體測試數(shù)據(jù)如表1。

3.3 實驗結論

在各個驅動電路中，都能完成準確的驅動位置。失步的情況，也是由負載或是加速度過快引起的，只要注意負載和電機設定加速度即可，在溫度在70℃以下，均未出現(xiàn)任何退磁情況，因為磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，當然在正常的環(huán)境下一般很難達到如此高的溫度，只有在特殊的行業(yè)內，需要做好溫度監(jiān)控，以確保電機的正常運轉。步進信號死機或單方向走，是在干擾情況下極少出現(xiàn)的，表現(xiàn)為出現(xiàn)步進電機接收信號時死機，或不能正常接收系統(tǒng)發(fā)來的驅動數(shù)值，因而無法帶動所要的傳動裝置進行短波發(fā)射機的調諧工作，整機不能正常進入工作狀態(tài)。重新啟動后，基本能恢復正常。重啟的作用是達到信息的復位，簡潔化，不讓堵塞的數(shù)據(jù)堵住數(shù)據(jù)端口，讓數(shù)據(jù)信息正確地進入到調諧電機中。

4 結語

本文提出的步進電機發(fā)射機驅動控制系統(tǒng)能夠很好地滿足用戶設定的控制要求，對各個控制部分進行精準的細分控制，提高發(fā)射機的控制準確性，同時可隨用戶參數(shù)的變化而變化，并且做出相應的存儲。無需再編寫新的驅動程序。目前，這套系統(tǒng)已陸續(xù)運用到其他同機型單位，優(yōu)點突出，實際效果明顯，不同于原來的直流伺服電機控制系統(tǒng)，具有很高的實用價值。經(jīng)實際工作驗證，此步進電機驅動控制系統(tǒng)在短波發(fā)射機控制領域具有實用性和靈活性。

參考文獻

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[2]TBH-522型短波發(fā)射機自動控制技術說明書[A].北京：福昊達科技開發(fā)有限公司出版，2006.

[3]李曉菲，胡泓，王煒.步進電機加減速控制規(guī)律[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2006.1.

方向的控制：步進電機的位置采用旋轉碼盤進行定位，通常，旋轉碼盤有三相輸出，旋轉波，A相和B相輸出占空比為50%的方波。碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。當碼盤正向旋轉時，A相比B相超前四分之一個周期；當碼盤反向旋轉時，B相比A相超前四分之一個周期。通過對該波形的處理得到碼盤的方向信號和計數(shù)脈沖，送入實際位置計數(shù)器，利用方向信號控制計數(shù)器的加減，利用脈沖控制計數(shù)。并且控制脈沖的頻率，使電機能夠平穩(wěn)的升降速。

2.4 光電碼盤反饋控制

在每個步進電機以及傳動裝置上都裝有一個與被調元件機械聯(lián)動的光電碼盤，改變其機械轉動圈數(shù)即可改變其電參量，比如：1路預置數(shù)值是854，那么當電機因慣性而轉過頭幾個數(shù)值，如859，那么光電碼盤就會同樣轉到859的位置，并同時將信息傳送到鑒相器，再由它到A9主芯片中，主芯片便會發(fā)出倒轉信號，直至電機轉到854為止。

3 性能測試

3.1 測試方法

為驗證系統(tǒng)功能的可行性，以北廣150kwPSM短波發(fā)射機，8路驅動位置為基礎，通過不同的設置條件，由控制器控制電機加減速，用光電碼盤檢測電機所實際運行的步數(shù)來判斷電機是否發(fā)生過沖和失步，步進電機采用型號為85BYGH450A型。

3.2 實驗結果及分析

以MS型2H080M的步進電機驅動器進行性能測試，它有16種步數(shù)，最大細分數(shù)達200即40000步/轉，此電機固定設置為細分40，即步距角為8000轉/秒，相電流為4.6A。由外部控制系統(tǒng)輸入步進電機的轉動步數(shù)和控制參數(shù)，通過步進電機控制系統(tǒng)左右，按要求進行轉動，到位精確，沒有誤差，具體測試數(shù)據(jù)如表1。

3.3 實驗結論

在各個驅動電路中，都能完成準確的驅動位置。失步的情況，也是由負載或是加速度過快引起的，只要注意負載和電機設定加速度即可，在溫度在70℃以下，均未出現(xiàn)任何退磁情況，因為磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，當然在正常的環(huán)境下一般很難達到如此高的溫度，只有在特殊的行業(yè)內，需要做好溫度監(jiān)控，以確保電機的正常運轉。步進信號死機或單方向走，是在干擾情況下極少出現(xiàn)的，表現(xiàn)為出現(xiàn)步進電機接收信號時死機，或不能正常接收系統(tǒng)發(fā)來的驅動數(shù)值，因而無法帶動所要的傳動裝置進行短波發(fā)射機的調諧工作，整機不能正常進入工作狀態(tài)。重新啟動后，基本能恢復正常。重啟的作用是達到信息的復位，簡潔化，不讓堵塞的數(shù)據(jù)堵住數(shù)據(jù)端口，讓數(shù)據(jù)信息正確地進入到調諧電機中。

4 結語

本文提出的步進電機發(fā)射機驅動控制系統(tǒng)能夠很好地滿足用戶設定的控制要求，對各個控制部分進行精準的細分控制，提高發(fā)射機的控制準確性，同時可隨用戶參數(shù)的變化而變化，并且做出相應的存儲。無需再編寫新的驅動程序。目前，這套系統(tǒng)已陸續(xù)運用到其他同機型單位，優(yōu)點突出，實際效果明顯，不同于原來的直流伺服電機控制系統(tǒng)，具有很高的實用價值。經(jīng)實際工作驗證，此步進電機驅動控制系統(tǒng)在短波發(fā)射機控制領域具有實用性和靈活性。

參考文獻

[1]黃曉兵.THB-522型150KW短波發(fā)射機維護手冊[A].北京：中國書籍出版社，2011 P148-152.

[2]TBH-522型短波發(fā)射機自動控制技術說明書[A].北京：福昊達科技開發(fā)有限公司出版，2006.

[3]李曉菲，胡泓，王煒.步進電機加減速控制規(guī)律[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2006.1.