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(guò)控制脈沖數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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(guò)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(guò)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媒涌谛酒?，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(lái)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。