CN112910337B

CN112910337B - 基于fpga实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路

Info

Publication number: CN112910337B
Application number: CN202110240848.1A
Authority: CN
Inventors: 杨晨; 王佳兴; 席嘉蔚; 杨尧尧
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: CN112910337A

Abstract

本发明基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，包括FPGA控制核心，作为角度控制电路的核心处理器，由角度比较器、角度反馈模块和时间补偿模块组成；角度比较器，用于确定当前角度的类别，并将角度类别传递到时间补偿模块；同时，角度比较器将旋转度数通过寄存器与系统时钟同步后输入到角度反馈模块；角度反馈模块，用于计算外部光栅需要转过的线数，并根据光电对管返回的高电平数目计算旋转角度是否达到计算的阈值；时间补偿模块，用于根据从角度比较器获取的角度类别结果，当角度反馈模块结束工作时，时间补偿模块对不同类别的角度进行相应的时间补偿，得到最终的角度转动结果。本发明实现了用低线数光栅实现较高精度的角度控制。

Description

基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路

技术领域

本发明属于直流电机角度控制领域，具体涉及一种基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路。

背景技术

FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编辑器件门电路数有限的缺点。以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

电机角度控制方式按开环闭环可分为两种。其中开环控制，如步进电机，是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进传动器接收到一个脉冲信号，它就传动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；形成闭环控制的如伺服电机，通过控制输出的脉冲时间长度来控制转过的角度，加入编码器作为反馈形成闭环控制，因此可以获得更高的精度和稳定性。伺服电机用于反馈的编码器按物理介质不同可分为两类：光电编码器和磁电编码器。其中光电编码器用码盘刻线对光电开关形成遮挡来得到高低电平序列，对其进行编码来记录转过的角度，应用广泛；磁电编码器主要采用霍尔传感器件，电机旋转时可通过霍尔元件输出脉冲，主控芯片依次记录转子旋转情况，实现角度控制。

当前角度控制的方式中，光电编码器为达到高的控制精度需对码盘刻线进行较细的划分，更高线数的码盘意味着对工艺要求的提高，因而成本会显著增加；而磁电编码器需要保证霍尔传感器件的磁屏蔽特性，在电磁干扰较强的场合往往会导致传感器件的精度下降。同时，当前的角度控制编码器为了增强抗干扰能力进而提高精度，往往是在电机生产时已经集成在电机内部，对于需要新增角度控制的场合存在不足。从成本控制以及适用性方面考虑，低线数光栅下的光电编码器控制角度是一种较好的方式，但低线数意味着角度控制精度的下降，因此如何用低线数光栅实现较高精度的角度控制是当前存在的技术问题，也是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的新增角度控制需求场合适应性差，高精度控制器件成本高，低线数光栅控制精度低的技术问题，提供了一种基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，包括

FPGA控制核心，作为角度控制电路的核心处理器，包括角度比较器、角度反馈模块和时间补偿模块，用于接收新角度输入标志信号和角度数据以及光电对管反馈的数据，通过脉冲宽度调制实现角度控制；

角度比较器，用于根据余数与角度的对应关系确定当前角度的类别，并将角度类别传递到时间补偿模块；同时，角度比较器将旋转度数通过寄存器与系统时钟同步后输入到角度反馈模块；

角度反馈模块，用于计算外部光栅需要转过的线数，并根据光电对管返回的高电平数目计算旋转角度是否达到计算的线数阈值；

时间补偿模块，用于根据从角度比较器获取的角度类别结果，当角度反馈模块结束工作时，时间补偿模块对不同类别的角度进行相应的时间补偿，得到最终的角度转动结果。

本发明进一步的改进在于，FPGA控制核心中，新角度输入时，表示角度输入的标志信号用于对角度反馈模块的计数器和时间补偿模块的计时器清零，每当输入一个新的角度数据，即标志信号为高电平时，计数器和计时器清零。

本发明进一步的改进在于，角度比较器包括预先存储的角度类别和用于将输入的角度与系统时钟同步的寄存器，角度比较器将识别的输入角度的类别输入到时间补偿模块，将同步后的旋转度数输入到角度反馈模块。

本发明进一步的改进在于，角度反馈模块包括整除运算单元和计数器，其中整除运算单元用于通过旋转度数计算光栅需要转过的线数，计数器计算接收到的来自光电对管的高电平数目并与整除运算达到的线数进行对比，控制角度反馈模块停止以及启动时间补偿模块。

本发明进一步的改进在于，时间补偿模块包括预先存储的不同角度类别对应的计时终值和计时器，时间补偿模块接收来自角度比较器的分类结果，将相应的计时终值送到计时器，并通过接收到角度反馈模块结束工作的信号来启动计时器，计时器计时停止时，角度控制工作完成。

本发明进一步的改进在于，根据光栅线数确定角度所属类别，确定好的角度类别存储于角度比较器中，如下：

class＝mod(angle,360/line) (1)

式中，class表示分类后的角度类别，angle表示输入的控制角度，line表示选用光栅的线数。

本发明进一步的改进在于，通过公式(2)用于确定不同类别角度的补偿时间，确定好的补偿时间存储于时间补偿模块的计时终值阵列，如下：

式中，T_compnew表示新的角度需要的补偿时间，T_compold表示已经确定的某一类别角度的补偿时间，Rem_new表示新的角度所属类别的余数，Rem_old表示已经确定补偿时间为T_compold的相应类别的余数，σ为实际情况下微小的偏差补偿。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

首先，通过FPGA核心中的三个模块，角度比较器，角度反馈模块和时间补偿模块的协同工作，本发明可对低线数的光栅角度控制实现控制精度的提高。

其中，角度比较器中存储角度类别，角度类别根据角度控制采用的光栅线数确定，以200线光栅为例，其精度为360/200＝1.8°，则将0—360范围内的角度除以1.8，根据余数确定角度类别。预先确定好的角度类别通过查找表的形式存储在角度比较器中，当待控制角度输入时，通过查表方法快速确定角度类别，因而有利于减少角度实时控制的延时。

角度反馈模块接收来自角度比较器同步后的旋转度数，用该度数整除光栅的精度，即得到光栅需要转过的线数，通过脉冲宽度调制的方式控制电机转过相应的线数；

时间补偿模块根据角度分类结果选择计时终值。计时终值提前根据角度类别确定补偿时间，同样用查找表的形式存储在时间补偿模块中。角度分类有助于调试过程中确定时间补偿大小，根据不同类别的角度对应的余数按比例设置补偿时间，然后微调即可，因此可以大大缩短调试时间。针对不同类别角度的时间补偿，可以进一步提升角度控制的精度。

通过上述FPGA控制核心中各模块的协同工作，可以显著提高低线数光栅下的角度控制精度，同时，角度分类的方法有助于缩短调试时间。

第二，本发明考虑了FPGA实现浮点数运算复杂性较高的问题，采用定点数计算，以及查找表实现整除运算，一方面节约了FPGA硬件资源，另一方面有利于提高控制速度，有利于角度实时控制中降低延时。

最后，本发明用低线数光栅实现较高精度的角度控制，成本低，适用性强，易用于对已有电机新增角度控制功能的场合。

附图说明

图1为本发明基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路的结构框图。

图2为本发明时间补偿模块的结构示意图。

图3为本发明角度反馈模块的结构示意图。

图4为本发明角度比较器模块的结构示意图。

图5为本发明角度控制精度对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，本发明是针对Verilog开发的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，包括

本发明的主要特点：

1、对360°范围内的角度分类，对不同类别的角度采用不同的控制方法。

本发明的主要优点：

1、基于低线数光栅，低成本实现高精度电机角度控制

2、可配置性好，可对成品电机起到改良作用

Verilog作为硬件描述语言，在处理浮点数方面存在固有的劣势。常用的近似处理的方法是分子分母放大相同的倍数，使得小数部分放大，来得到近似值。这样的方法资源耗费高，同时，对于嵌入式领域的低功耗要求也有损害。在直流电机的应用中，角度控制是最为常见的功能。常见的实现角度控制的方式如步进电机通过控制输出的脉冲数对角度实现开环控制，伺服电机通过控制输出脉冲的时间长度实现角度控制，并通过编码器作为反馈提高控制稳定性和精度。这些方法的硬件实现是固化在电机中的。如步进电机，控制其转动的关键是相数和齿数等，这些在电机制造阶段已经定型，后期无法改变，因此对于应用场合的需求变化不敏感。另外，装备霍尔编码器等反馈模块的电机价格相对较高，且控制信号繁多，增加了使用成本。本发明提供了另外一种控制方法，利用光栅码盘和光电对管从外部计数，来实现角度控制。这种方法相比内置编码器的方法会有一定的空间要求，但控制稳定性和可配置性上有了显著的提高，适用于低成本低功耗场合。针对此种电机角度控制方法，本发明提出了一种Verilog开发的基于低线数光栅的直流电机角度精度控制提高方法，显著提升了角度控制的精度。真正实现了低成本高精度的控制。具体方案如下：

采用光栅和光电对管组合的方式实现角度控制。当光栅格挡住光电对管时，对管输出高电平，不遮挡时，对管输出低电平。通过计数高低电平的变化数来实现电机角度控制。以200线光栅为例，360°范围内，其理论精度为1.8度/格。因此，直接计数的角度控制精度即为1.8°。这一误差存在大的提升空间。一种方法是通过增加光栅线数，来增加系统精度，比如将线数增加到2000线，则理论精度为0.18°。这一做法的不足之处在于增加光栅的线数对光栅工艺和光电对管工艺都有了更高的要求，反映到实际应用中就是大大增加了成本。考虑到这些情况，本发明创新性的提出了一种适于Verilog编程的，即整数计数下，低光栅线数的高精度角度控制方法。具体方法如下：

根据式1，同样以200线光栅为例。则(1)中line为200。

class＝mod(angle,360/line) (1)

以其理论精度1.8°作为除数，在360°范围内的角度，根据除1.8所得余数不同进行分类，可将360°内以1°为步长的角度分为9类，如表1所示。

表1角度分类情况

对于可以被1.8°整除的角度，通过计数相应的光电对管输出的电平转换次数即可实现精确角度控制。对于其他类别的角度，采用Verilog整除运算符的向下取整的基本方式，余数部分的缺失采用时间补偿的方法来弥补。即经过调试，确定需要对电机增加的施加脉冲的时间，以此补偿余数部分缺失的角度。由表1可见，余数部分显然是成比例的，因此确定一类余数的补偿时间之后，根据式(2)，按比例给定其余类别的补偿时间再进行微调即可，大大减少了调试的工作量。式(2)中，T_compnew表示新的角度需要的补偿时间，T_compold表示已经确定的某一类别角度的补偿时间，Rem_new表示新的角度所属类别的余数，Rem_old表示已经确定补偿时间为T_compold的相应类别的余数。σ为实际情况下微小的偏差补偿。

根据这样的思想，本发明可以对更低线数的光栅作出精度优化。比如100线光栅，其理论精度为3.6°。采用本发明提出的方法后，将角度分为16类，角度控制精度可以达到1°，提高幅度为72.2％。对于越低线数的光栅，角度控制精度的提高越显著。当然，精度提高将带来更大的工作量，所以平衡光栅线数和工作量方面需要做出折衷考虑。

【本发明与现有方法的性能对比】

光栅线数/线	理论精度/度	使用本方法后精度/度	提升幅度
				100	3.6	1	72％
150	2.4	1	58％
				200	1.8	1	44％

实施例

采用JGB37-520电机，以Xilinx公司XC7Z020-2CLG400I的FPGA作为主控芯片，使用Verilog语言开发，输出PWM控制电机转动。以200线的光栅和光电对管模块组合进行了角度控制验证。算法中，将角度分为9类，200线光栅的理论精度为1.8°，能被1.8整除的角度可通过计数光栅转过的线数实现精准角度控制，对于另外的8类角度，根据除1.8的余数值不同，进行相应的时间补偿。

电机角度控制的系统框图如图2所示。各模块均在FPGA上实现。

角度控制模块接收新角度输入标志信号和角度数据以及光电对管反馈的数据实现角度控制。新角度输入标志信号用于对角度反馈模块图3的计数器和时间补偿模块图2的计时器清零。每当输入一个新的角度数据，即标志信号为高电平时，计数器和计时器清零。

角度比较器图4根据表1确定当前角度的类别，将角度类别传递到时间补偿模块，从而实现对不同类别的角度进行相应的时间补偿以提高控制精度；同时，角度比较器将旋转度数通过寄存器与系统时钟同步后输入到角度反馈模块。

角度反馈模块中，用光栅线数整除旋转度数得到计数器的阈值，计数器记录光电对管返回的高电平数目；

时间补偿模块根据从角度比较器获取的角度类别结果，读取存储的相应类别的计时终值并将其传递到计时器，从而实现对不同类别的角度进行相应的时间补偿以提高控制精度；角度反馈模块计数器的计数值达到相应角度的阈值后，时间补偿模块的计时器开始计时。当计时器达到设定的计时终值时，表明此时角度控制已经完成，通过选择器输出低电平，电机停止转动。

最终实现了360度范围内精度为1度的任意角度控制，360度旋转平均误差为±0.3°。角度控制精度相比光栅线数的理论值提高了44％。

Claims

1.基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，FPGA控制核心中，新角度输入时，表示角度输入的标志信号用于对角度反馈模块的计数器和时间补偿模块的计时器清零，每当输入一个新的角度数据，即标志信号为高电平时，计数器和计时器清零。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，角度比较器包括预先存储的角度类别和用于将输入的角度与系统时钟同步的寄存器，角度比较器将识别的输入角度的类别输入到时间补偿模块，将同步后的旋转度数输入到角度反馈模块。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，角度反馈模块包括整除运算单元和计数器，其中整除运算单元用于通过旋转度数计算光栅需要转过的线数，计数器计算接收到的来自光电对管的高电平数目并与整除运算达到的线数进行对比，控制角度反馈模块停止以及启动时间补偿模块。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，时间补偿模块包括预先存储的不同角度类别对应的计时终值和计时器，时间补偿模块接收来自角度比较器的分类结果，将相应的计时终值送到计时器，并通过接收到角度反馈模块结束工作的信号来启动计时器，计时器计时停止时，角度控制工作完成。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，根据光栅线数确定角度所属类别，确定好的角度类别存储于角度比较器中，如下：

class＝mod(angle,360/line) (1)

7.根据权利要求1所述的基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路，其特征在于，通过公式(2)用于确定不同类别角度的补偿时间，确定好的补偿时间存储于时间补偿模块的计时终值阵列，如下：

式中，T_compnew表示新的角度需要的补偿时间，T_compold表示已经确定的某一类别角度的补偿时间，Rem_new表示新的角度所属类别的余数，Rem_old表示已经确定补偿时间为T_compold的相应类别的余数，σ为偏差补偿。