一種帶有限位功能的步進(jìn)電機(jī)控制器*

劉濤，趙武，馬曉龍，張志勇

（1.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710127；2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，陜西西安710049）

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行設(shè)備。在非超載的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，因此步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于精密控制場(chǎng)合[1]。

在基于圖像處理評(píng)價(jià)函數(shù)的調(diào)焦系統(tǒng)中，常用的調(diào)焦策略包括斐波那契搜索法和爬山搜索法，其中又以爬山搜索法應(yīng)用最為廣泛[2]。根據(jù)爬山搜索的原理，在開(kāi)始搜索時(shí)，先復(fù)位調(diào)焦鏡頭到起始搜索位置，在搜索焦點(diǎn)的過(guò)程中，要防止由于圖像噪聲等干擾造成程序判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致調(diào)焦鏡頭越出調(diào)焦范圍邊界。

為了適應(yīng)這種控制需求，對(duì)通用步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行了改進(jìn)，使其在具有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能的同時(shí)，引入限位信號(hào)反饋控制。電機(jī)控制器使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)編寫，而限位信號(hào)則由位置感應(yīng)電路中的光電開(kāi)關(guān)器件自動(dòng)反饋。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不同，它需要邏輯控制器與功率驅(qū)動(dòng)電路配合使用。具有位置感應(yīng)電路的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

電機(jī)控制器接受指令單元的控制指令，同時(shí)檢測(cè)位置感應(yīng)電路反饋的限位信號(hào)，然后向功率驅(qū)動(dòng)單元傳遞驅(qū)動(dòng)邏輯，功率驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)換這些驅(qū)動(dòng)邏輯，并輸出功率脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。

2 步進(jìn)電機(jī)控制器

通用步進(jìn)電機(jī)控制器主要用于輸出驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向、速度、步數(shù)和停止。本文的步進(jìn)電機(jī)控制器要求具有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能，同時(shí)加入復(fù)位和限位處理模塊，控制目標(biāo)為一種二相四線制步進(jìn)電機(jī)。加入限位信號(hào)（LIMIT）控制功能的控制器頂層信號(hào)如圖2所示。

圖2中DATA為電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的步數(shù)，HOLD控制電機(jī)停止，MANUAL為手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，DIRECTION用于控制運(yùn)行方向，RESET_TRI為爬山搜索復(fù)位信號(hào)，四路OUT信號(hào)為步進(jìn)電機(jī)的輸出邏輯，用于四線制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。通過(guò)控制輸出邏輯的頻率DRI_CLK可以控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度，而輸出邏輯的轉(zhuǎn)換方向則控制了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向[3]。

2.1 模塊實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)在具有一定轉(zhuǎn)換方向的驅(qū)動(dòng)脈沖下運(yùn)行，據(jù)此將電機(jī)控制器劃分為方向控制和邏輯輸出兩個(gè)部分。限位信號(hào)用于復(fù)位和限定運(yùn)行方向，因此在方向控制部分同時(shí)處理限位；在邏輯輸出部分，按照控制需求再次劃分為復(fù)位、自動(dòng)和手動(dòng)三個(gè)邏輯處理模塊，在邏輯輸出的實(shí)現(xiàn)方式上，復(fù)位、自動(dòng)和手動(dòng)通過(guò)一定的優(yōu)先級(jí)邏輯，通過(guò)發(fā)送電機(jī)占用請(qǐng)求復(fù)用邏輯輸出模塊。圖3為控制器模塊劃分示意圖。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制器頂層信號(hào)

圖3 控制器的模塊劃分示意圖

(1)爬山復(fù)位

爬山復(fù)位模塊用于復(fù)位調(diào)焦鏡頭到爬山搜索的起始位置。電機(jī)控制器在捕獲到指令單元的復(fù)位信號(hào)后，按預(yù)定的運(yùn)行方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)邏輯，直至控制器收到限位信號(hào)LIMIT的有效反饋后停止。復(fù)位過(guò)程中，自動(dòng)和手動(dòng)請(qǐng)求無(wú)效。

(2)自動(dòng)控制

步進(jìn)電機(jī)控制器的步數(shù)數(shù)據(jù)接收端DATA在接收到指令單元傳入的運(yùn)行步數(shù)后，首先檢查當(dāng)前是否有其他電機(jī)占用請(qǐng)求，如果電機(jī)空閑，就按照同時(shí)傳入的方向信號(hào)輸出指定步數(shù)的驅(qū)動(dòng)邏輯；否則忽略本次自動(dòng)控制請(qǐng)求。

(3)手動(dòng)微調(diào)

手動(dòng)微調(diào)在控制器中作為一種輔助控制手段，允許人工微調(diào)調(diào)焦鏡頭的位置。每啟動(dòng)一次手動(dòng)微調(diào)，電機(jī)就按照設(shè)定的運(yùn)行方向，運(yùn)行一段固定的微調(diào)距離?？刂破髟诓东@到手動(dòng)輸入信號(hào)后，同時(shí)讀取手動(dòng)運(yùn)行方向DIRECTION的設(shè)置值，如果當(dāng)前電機(jī)空閑，則按照手動(dòng)輸入的方向信號(hào)輸出固定步數(shù)的驅(qū)動(dòng)邏輯；否則手動(dòng)請(qǐng)求無(wú)效。

(4)方向和限位處理

當(dāng)控制器運(yùn)行在手動(dòng)微調(diào)或自動(dòng)控制時(shí)，需要防止調(diào)焦鏡頭越出邊界。方向模塊在收到有效的限位信號(hào)LIMIT后，對(duì)正在輸出的方向信號(hào)取反，控制步進(jìn)電機(jī)反方向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)限位要求。當(dāng)控制器沒(méi)有收到限位信號(hào)反饋時(shí)，則讀取DIRECTION端口的方向，傳遞給邏輯輸出模塊，用于控制驅(qū)動(dòng)邏輯的轉(zhuǎn)換方向。

(5)邏輯輸出

邏輯輸出模塊內(nèi)置邏輯發(fā)生器，邏輯發(fā)生器按照電機(jī)請(qǐng)求和方向信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)邏輯。方向信號(hào)用于控制驅(qū)動(dòng)邏輯的轉(zhuǎn)換方向；自動(dòng)和手動(dòng)模塊的核心是計(jì)數(shù)器，電機(jī)請(qǐng)求信號(hào)是步數(shù)計(jì)數(shù)器的輸出，因此電機(jī)請(qǐng)求信號(hào)的有效時(shí)間表示允許邏輯發(fā)生器運(yùn)行的時(shí)鐘周期數(shù)。

2.2 邏輯發(fā)生器

邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式密切相關(guān)。本文控制目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)方式為二相雙四拍式。標(biāo)記步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組為：A(+)、B(-)、C(+)、D(-)，AB為一相，CD為另一相，則二相雙四拍的驅(qū)動(dòng)方式為ACAD-BD-BC[4]。二相雙四拍的驅(qū)動(dòng)方式是指電機(jī)輸入線的通電方式，也即功率驅(qū)動(dòng)單元的輸出通電脈沖，而邏輯發(fā)生器的輸出還要考慮功率驅(qū)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)換方式。

功率驅(qū)動(dòng)單元可以使用MOS管等分立元件或?qū)Ｓ眉呻娐穼?shí)現(xiàn)[5]。為了減少電路規(guī)模，采用專用驅(qū)動(dòng)芯片BA6845FS完成功率轉(zhuǎn)換。該芯片具有四路電平轉(zhuǎn)換，支持二相雙四拍驅(qū)動(dòng)方式；輸出飽和電壓低、內(nèi)置節(jié)電和過(guò)熱保護(hù)電路，可以降低電路功耗，同時(shí)提高電路可靠性。其真值表如表1所示[6]。從表1中可以看出，當(dāng)控制器沒(méi)有接到電機(jī)運(yùn)行指令時(shí)，可以設(shè)置邏輯發(fā)生器的輸出B/D為0，使步進(jìn)電機(jī)的繞組處于開(kāi)路狀態(tài)，防止電機(jī)發(fā)熱。

根據(jù)表1的功率轉(zhuǎn)換方式，可以得到邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與二相雙四拍繞組通電方式的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如表2所示。表2中1代表高電平，磁極繞組通電；0代表低電平，磁極繞組不通電。

表1 BA6845FS真值表

表2 邏輯發(fā)生器的輸出與繞組通電的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2中，繞組任意一次通電方式間的變化（1-2、2-3、3-4、4-1），步進(jìn)電機(jī)都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，即移動(dòng)一步，所以可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換的次數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)。邏輯發(fā)生器按照脈沖計(jì)數(shù)的順序，從1到4循環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)邏輯時(shí)，繞組按照二相雙四拍的方式通電，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之實(shí)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

按照表2中的邏輯輸出電平即可設(shè)計(jì)邏輯發(fā)生器。其VerilogHDL代碼如下：

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器是否能正常工作，使用EDA工具和Nios II嵌入式系統(tǒng)對(duì)控制器進(jìn)行功能仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 功能仿真

使用測(cè)試臺(tái)（testbench）程序在Modelsim中對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行功能仿真。仿真時(shí)鐘周期為100 ns，仿真結(jié)果如圖4所示。測(cè)試臺(tái)程序在預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)修改輸入端口寄存器的值，并監(jiān)視邏輯發(fā)生器的輸出。在評(píng)價(jià)功能仿真輸出結(jié)果時(shí)，主要查看自動(dòng)、手動(dòng)和復(fù)位3個(gè)模塊的仿真輸出邏輯是否按測(cè)試臺(tái)程序要求轉(zhuǎn)換了預(yù)定的次數(shù)，同時(shí)檢查限位和停止功能是否有效。

圖4中，測(cè)試臺(tái)首先設(shè)置爬山復(fù)位(reset_tri)為有效，邏輯發(fā)生器開(kāi)始輸出驅(qū)動(dòng)邏輯，直到限位信號(hào)(limit)下降沿到來(lái)，A/B/C/D恢復(fù)為0；接著置手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)(manual)有效，邏輯發(fā)生器在輸出手動(dòng)控制模塊預(yù)置的7次驅(qū)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換后，A/B/C/D恢復(fù)為0；然后向自動(dòng)步數(shù)(data)寫入數(shù)據(jù)’00001001’，邏輯發(fā)生器輸出了9次邏輯轉(zhuǎn)換；在手動(dòng)和自動(dòng)控制過(guò)程中，測(cè)試臺(tái)在邏輯輸出過(guò)程中插入了有效的限位信號(hào)。由圖4可以看出，在1600 ns和3 μs處，驅(qū)動(dòng)邏輯的轉(zhuǎn)換方向發(fā)生了變化；最后，向data寫入數(shù)據(jù)’00000100’，驅(qū)動(dòng)邏輯重新開(kāi)始輸出，輸出過(guò)程中遇到停止信號(hào)(hold)有效，強(qiáng)制輸出A/B/C/D為0。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器的功能正確。

圖4 電機(jī)控制器的Modelsim仿真結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

步進(jìn)電機(jī)控制器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路如圖5所示。嵌入Nios II處理器的片上可編程系統(tǒng)(SoPC)在ALTERA DE2開(kāi)發(fā)板的FPGA中建立，同時(shí)設(shè)計(jì)了位置感應(yīng)電路和功率驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驗(yàn)證復(fù)位和限位功能以及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路

位置感應(yīng)電路如圖6所示。采用光電開(kāi)關(guān)(optoiso)作為限位信號(hào)傳感器，當(dāng)調(diào)焦鏡頭在設(shè)定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)，限位傳感器輸出高電平信號(hào)，到達(dá)邊界時(shí)則輸出低電平信號(hào)。光電開(kāi)關(guān)輸出的電平信號(hào)經(jīng)存儲(chǔ)后，輸出限位信號(hào)LIMIT。

步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，圖中A/B/C/D是步進(jìn)電機(jī)控制器輸出的邏輯電平信號(hào)，經(jīng)存儲(chǔ)后送入BA6845FS進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，而功率芯片的輸出端口直接與二相四線制步進(jìn)電機(jī)的繞組控制線相連。

圖6 位置感應(yīng)電路

圖7 步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)單元電路

完成功率電路和位置反饋電路制作后，把它們連接在DE2開(kāi)發(fā)板上。將步進(jìn)電機(jī)控制器與Avalon總線信號(hào)連接后添加到Nios II系統(tǒng)集成工具SoPC Builder中，然后添加其他Nios II系統(tǒng)模塊構(gòu)成一個(gè)SoPC并下載到FPGA。最后編寫面向Nios II處理器的步進(jìn)電機(jī)控制程序，其中手動(dòng)控制采用按鍵中斷方式。通過(guò)程序向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送自動(dòng)和手動(dòng)以及復(fù)位控制命令，驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，步進(jìn)電機(jī)可以響應(yīng)自動(dòng)控制和手動(dòng)微調(diào)請(qǐng)求，同時(shí)有效的限位信號(hào)可以復(fù)位調(diào)焦鏡頭到達(dá)爬山起始位置和限定鏡頭的移動(dòng)范圍。

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