基于FPGA的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

的相位關(guān)系會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而判斷電機(jī)運(yùn)行的方向。因此，根據(jù)這一特性，在FPGA中，用Vetilog語言編寫了一個(gè)實(shí)現(xiàn)正交編碼脈沖電路的功能的計(jì)數(shù)模塊。

同時(shí)，為了進(jìn)一步消除光柵反饋信號(hào)可能產(chǎn)生的窄脈沖干擾信號(hào)，本控制器將轉(zhuǎn)換后的單端信號(hào)進(jìn)一步濾波。主要過程是：在采集某一狀態(tài)信號(hào)時(shí)，利用比該狀態(tài)信號(hào)更高頻率的采樣時(shí)鐘對其進(jìn)行多次重復(fù)采集，直到多次采集結(jié)果完全一致時(shí)才視為有效信號(hào)輸出。然后再將濾波過后的信號(hào)發(fā)送給正交編碼脈沖電路進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)。

1.3 驅(qū)動(dòng)控制器的控制方式

電機(jī)工作時(shí)，FPGA通過串口接收來自上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)至Nios II處理器中，經(jīng)過程序處理之后，得出電機(jī)運(yùn)行的方式(步進(jìn)、連續(xù))、運(yùn)行的距離等信息，NiosⅡ處理器通過控制DDS模塊的起停時(shí)間來控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的有無進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程。電機(jī)運(yùn)行時(shí)的位移和速度的實(shí)際信息可以從光柵編碼器的反饋信號(hào)中得出，計(jì)數(shù)器模塊計(jì)算出脈沖數(shù)的值發(fā)送給Nios II處理器，處理器通過具體的控制算法改變DDS輸出信號(hào)的幅值、頻率、相位從而對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)做出進(jìn)一步的調(diào)整。這樣，一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)就由一塊FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 超聲電機(jī)速度穩(wěn)定性研究

由于超聲電機(jī)在一定的頻率范圍內(nèi)，它的速度隨著頻率的增大而減小，因此我們可以通過控制正弦信號(hào)的頻率來保證超聲電機(jī)速度的穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)使用的直線超聲電機(jī)在33.8 kHz附近運(yùn)行的比較穩(wěn)定，所以選用33.8 kHz作為直線超聲電機(jī)的實(shí)驗(yàn)頻率。首先研究直線超聲電機(jī)在不加入任何的控制算法時(shí)，它的速度穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由上圖可以看出不加控制算法直接運(yùn)行，超聲電機(jī)的速度不是很穩(wěn)定。如果在Nios II處理器中加入一些控制算法去控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)的頻率，速度的穩(wěn)定性會(huì)有顯著的改善。以增量式PID算法為例：

△u(k)=A1e(k)+A2e(k-1)+A3e(k-2)

u(k)是頻率，e(k)是第K次采樣時(shí)目標(biāo)速度與當(dāng)前速度的差值。通過上面的公式算出頻率的改變量，發(fā)送新的頻率控制字給DDS模塊，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行速度的效果。圖6為加入PID算法后電機(jī)的速度曲線。

由此可見，引入控制算法的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的速度波動(dòng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于直線超聲電機(jī)在不引入算法時(shí)的波動(dòng)。這很好的解決了直線超聲電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的速度穩(wěn)定性問題。

2.2 定位精度測試

對一個(gè)單軸直線超聲電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行精確定位實(shí)驗(yàn)。此精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在脈沖寬度為3.5μs時(shí)有著比較穩(wěn)定的輸出特性，步進(jìn)距離大約在100 nm左右。使用“連續(xù)+步進(jìn)”的方式進(jìn)行精度測試，連續(xù)運(yùn)動(dòng)至預(yù)定目標(biāo)處，然后利用微小步進(jìn)進(jìn)行調(diào)整。英國REN-ISHAW公司的XL-80激光干涉儀系統(tǒng)作為本次實(shí)驗(yàn)的測定系統(tǒng)，將激光干涉儀顯示數(shù)據(jù)與定位距離進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)表明，此超聲電機(jī)直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度可以達(dá)到1μm。

3 結(jié)論

文中利用SOPC技術(shù)，將波形發(fā)生模塊和微處理器模塊以及脈沖計(jì)數(shù)模塊巧妙地集成到一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，利用可編程邏輯的靈活性和Nios II的強(qiáng)大處理能力，實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)。采用SOPC方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分利用FPGA的可編程性，整個(gè)開發(fā)過程變得靈活方便，在不改變?nèi)魏瓮鈬娐返那闆r下可以對系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級(jí)，延長系統(tǒng)的壽命周期，同時(shí)大大提升了系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的集成度，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，這正是相對于其他方案的優(yōu)勢，也符合當(dāng)今科技的發(fā)展方向。