基于FPGA的伺服驅(qū)動(dòng)器分周比設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言
電動(dòng)機(jī)是各類(lèi)數(shù)控機(jī)床的重要執(zhí)行部件。要實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確位置控制，轉(zhuǎn)子的位置必須能夠被精確的檢測(cè)出來(lái)。光電編碼器是目前最常用的檢測(cè)器件。光電編碼器分為增量式、絕對(duì)式和混合式。其中，增量式以其構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械壽命長(zhǎng)，易實(shí)現(xiàn)高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛采用。增量式光電編碼器輸出有A，B，Z三相信號(hào)，其中A相和B相相位相差90°，Z相是編碼器的“零位”，每轉(zhuǎn)只輸出一個(gè)脈沖。在應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)A相、B相正交脈沖按照一定的比例，即分周比進(jìn)行分頻。分頻的難點(diǎn)是，無(wú)論設(shè)定分周比是整數(shù)還是分?jǐn)?shù)，分頻后輸出的A'相，B'相脈沖仍然要保持正交或近似正交。為此提出一種基于FPGA的整數(shù)分周比實(shí)現(xiàn)方法。該方法邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，易于擴(kuò)展，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 電子齒輪比與分周比
電子齒輪比與分周比是數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心中一個(gè)很重要的概念。國(guó)外大部分伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)實(shí)際執(zhí)行的脈沖量與指令脈沖量之比，分周比KDF是伺服驅(qū)動(dòng)器接收到來(lái)自伺服電動(dòng)機(jī)軸上脈沖編碼器的脈沖量與實(shí)際反饋到上位伺服控制系統(tǒng)(CNC)上脈沖量的比。配合使用電子齒輪比和分周比功能，用戶可以方便地實(shí)現(xiàn)整數(shù)脈沖當(dāng)量，從而避免中間計(jì)算出現(xiàn)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(jī)編碼器線數(shù)或者不同螺距絲杠的機(jī)床或者加工中心。
電子齒輪比和分周比可以按照下式計(jì)算求得。

式中：PG為電機(jī)光電編碼器線數(shù)，單位為P／rev(脈沖／轉(zhuǎn))；P為絲杠螺距，單位為mm／rev(毫米／周)；△l為脈沖當(dāng)量，單位為mm／P(毫米／脈沖)；m／n為減速比。

電子齒輪比可以利用脈沖頻率的變換實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于分周比，由于驅(qū)動(dòng)器反饋到CNC的脈沖量一般采用正交脈沖序列，故分周比的實(shí)現(xiàn)相對(duì)于齒輪比要困難。國(guó)外的各種驅(qū)動(dòng)器一般都帶有分周比功能，對(duì)利用FPGA實(shí)現(xiàn)分周比進(jìn)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

分周比的實(shí)現(xiàn)需要3個(gè)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沖序列，輸出為方向信號(hào)和四倍頻后的脈沖。DF模塊可實(shí)現(xiàn)輸入脈沖的三分頻。DF內(nèi)部是一個(gè)增減計(jì)數(shù)器，根據(jù)輸入的方向信號(hào)進(jìn)行增、減計(jì)數(shù)，正向計(jì)至設(shè)定的正閾值后輸出一個(gè)脈沖和正方向信號(hào)，負(fù)向計(jì)至設(shè)定的負(fù)閾值后輸出一個(gè)脈沖和負(fù)方向信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)值在正負(fù)閾值之間時(shí)，即使電機(jī)方向發(fā)生變化，甚至抖動(dòng)，輸出方向信號(hào)都保持不變。
OSG模塊用輸入脈沖沿觸發(fā)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，根據(jù)輸入的方向信號(hào)判決要跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)，從而產(chǎn)生正交信號(hào)和方向信號(hào)。

3 仿真研究
根據(jù)圖2，利用ACTEL公司的Libro 8．1開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用VHDL硬件語(yǔ)言，創(chuàng)建了相應(yīng)的功能模塊，原理圖如圖3所示。