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)用于精密控制場合[1]。
在基于圖像處理評價函數(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,在開始搜索時,先復(fù)位調(diào)焦鏡頭到起始搜索位置,在搜索焦點的過程中,要防止由于圖像噪聲等干擾造成程序判斷錯誤,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),使其在具有自動和手動控制功能的同時,引入限位信號反饋控制。電機(jī)控制器使用硬件描述語言(HDL)編寫,而限位信號則由位置感應(yīng)電路中的光電開關(guān)器件自動反饋。
1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理
步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的驅(qū)動方式不同,它需要邏輯控制器與功率驅(qū)動電路配合使用。具有位置感應(yīng)電路的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理圖如圖1所示。
電機(jī)控制器接受指令單元的控制指令,同時檢測位置感應(yīng)電路反饋的限位信號,然后向功率驅(qū)動單元傳遞驅(qū)動邏輯,功率驅(qū)動單元轉(zhuǎn)換這些驅(qū)動邏輯,并輸出功率脈沖驅(qū)動步進(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)動邏輯信號,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和自動控制功能,同時加入復(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(LIMIT)控制功能的控制器頂層信號如圖2所示。
圖2中DATA為電機(jī)自動運(yùn)行的步數(shù),HOLD控制電機(jī)停止,MANUAL為手動觸發(fā)信號,DIRECTION用于控制運(yùn)行方向,RESET_TRI為爬山搜索復(fù)位信號,四路OUT信號為步進(jìn)電機(jī)的輸出邏輯,用于四線制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制。通過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 模塊實現(xiàn)
步進(jìn)電機(jī)在具有一定轉(zhuǎn)換方向的驅(qū)動脈沖下運(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部分。限位信號用于復(fù)位和限定運(yùn)行方向,因此在方向控制部分同時處理限位;在邏輯輸出部分,按照控制需求再次劃分為復(fù)位、自動和手動三個邏輯處理模塊,在邏輯輸出的實現(xiàn)方式上,復(fù)位、自動和手動通過一定的優(yōu)先級邏輯,通過發(fā)送電機(jī)占用請求復(fù)用邏輯輸出模塊。圖3為控制器模塊劃分示意圖。
(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)位信號后,按預(yù)定的運(yùn)行方向產(chǎn)生驅(qū)動邏輯,直至控制器收到限位信號LIMIT的有效反饋后停止。復(fù)位過程中,自動和手動請求無效。
(2)自動控制
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)占用請求,如果電機(jī)空閑,就按照同時傳入的方向信號輸出指定步數(shù)的驅(qū)動邏輯;否則忽略本次自動控制請求。
(3)手動微調(diào)
手動微調(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。每啟動一次手動微調(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。控制器在捕獲到手動輸入信號后,同時讀取手動運(yùn)行方向DIRECTION的設(shè)置值,如果當(dāng)前電機(jī)空閑,則按照手動輸入的方向信號輸出固定步數(shù)的驅(qū)動邏輯;否則手動請求無效。
(4)方向和限位處理
當(dāng)控制器運(yùn)行在手動微調(diào)或自動控制時,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LIMIT后,對正在輸出的方向信號取反,控制步進(jìn)電機(jī)反方向運(yùn)行,實現(xiàn)限位要求。當(dāng)控制器沒有收到限位信號反饋時,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)請求和方向信號輸出驅(qū)動邏輯。方向信號用于控制驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向;自動和手動模塊的核心是計數(shù)器,電機(jī)請求信號是步數(shù)計數(shù)器的輸出,因此電機(jī)請求信號的有效時間表示允許邏輯發(fā)生器運(yùn)行的時鐘周期數(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)動方式密切相關(guān)。本文控制目標(biāo)的驅(qū)動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)動方式為AC-AD-BD-BC[4]。二相雙四拍的驅(qū)動方式是指電機(jī)輸入線的通電方式,也即功率驅(qū)動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)動單元的轉(zhuǎn)換方式。
功率驅(qū)動單元可以使用MOS管等分立元件或?qū)S眉呻娐穼崿F(xiàn)[5]。為了減少電路規(guī)模,采用專用驅(qū)動芯片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)動方式;輸出飽和電壓低、內(nèi)置節(jié)電和過熱保護(hù)電路,可以降低電路功耗,同時提高電路可靠性。其真值表如表1所示[6]。從表1中可以看出,當(dāng)控制器沒有接到電機(jī)運(yùn)行指令時,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)都會轉(zhuǎn)動一個步距角,即移動一步,所以可以通過控制驅(qū)動邏輯轉(zhuǎn)換的次數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)。邏輯發(fā)生器按照脈沖計數(shù)的順序,從1到4循環(huán)輸出驅(qū)動邏輯時,繞組按照二相雙四拍的方式通電,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動,反之實現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。
按照表2中的邏輯輸出電平即可設(shè)計邏輯發(fā)生器。其VerilogHDL代碼如下:
always @(negedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) q = 4’b0000;#p#分頁標(biāo)題#e#
else if(!hold || !run_en) q = 4’b0000;
//輸出0可以使功率芯片輸出開路狀態(tài),
//防止電機(jī)發(fā)熱
else begin//電機(jī)請求有效
if(!direc_i)//反方向
case (q) //表2中的邏輯輸出
4'b0111 : q = 4'b1111;
4'b1111 : q = 4'b1101;
4'b1101 : q = 4'b0101;
4'b0101 : q = 4'b0111;
default : q = 4'b0101;
endcase
else if(direc_i)//正方向
case (q)
4'b0111 : q = 4'b0101;
4'b0101 : q = 4'b1101;
4'b1101 : q = 4'b1111;
4'b1111 : q = 4'b0111;
default : q = 4'b0101;
endcase
end
end
3 仿真與實驗
為了驗證所設(shè)計的步進(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)對控制器進(jìn)行功能仿真和實驗驗證。
3.1 功能仿真
使用測試臺(testbench)程序在Modelsim中對步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行功能仿真。仿真時鐘周期為100 ns,仿真結(jié)果如圖4所示。測試臺程序在預(yù)定的時間點自動修改輸入端口寄存器的值,并監(jiān)視邏輯發(fā)生器的輸出。在評價功能仿真輸出結(jié)果時,主要查看自動、手動和復(fù)位3個模塊的仿真輸出邏輯是否按測試臺程序要求轉(zhuǎn)換了預(yù)定的次數(shù),同時檢查限位和停止功能是否有效。
圖4中,測試臺首先設(shè)置爬山復(fù)位(reset_tri)為有效,邏輯發(fā)生器開始輸出驅(qū)動邏輯,直到限位信號(limit)下降沿到來,A/B/C/D恢復(fù)為0;接著置手動觸發(fā)信號(manual)有效,邏輯發(fā)生器在輸出手動控制模塊預(yù)置的7次驅(qū)動邏輯轉(zhuǎn)換后,A/B/C/D恢復(fù)為0;然后向自動步數(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;在手動和自動控制過程中,測試臺在邏輯輸出過程中插入了有效的限位信號。由圖4可以看出,在1600 ns和3 μs 處,驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向發(fā)生了變化;最后,向data寫入數(shù)據(jù)’00000100’,驅(qū)動邏輯重新開始輸出,輸出過程中遇到停止信號(hold)有效,強(qiáng)制輸出A/B/C/D為0。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制器的功能正確。
3.2 實驗驗證
步進(jìn)電機(jī)控制器的實驗驗證電路如圖5所示。嵌入Nios II處理器的片上可編程系統(tǒng)(SoPC)在ALTERA DE2開發(fā)板的FPGA中建立,同時設(shè)計了位置感應(yīng)電路和功率驅(qū)動電路,用來驗證復(fù)位和限位功能以及驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。
位置感應(yīng)電路如圖6所示。采用光電開關(guān)(optoiso)作為限位信號傳感器,當(dāng)調(diào)焦鏡頭在設(shè)定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時,限位傳感器輸出高電平信號,到達(dá)邊界時則輸出低電平信號。光電開關(guān)輸出的電平信號經(jīng)存儲后,輸出限位信號LIMIT。
步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動電路如圖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,經(jīng)存儲后送入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。
完成功率電路和位置反饋電路制作后,把它們連接在DE2開發(fā)板上。將步進(jìn)電機(jī)控制器與Avalon總線信號連接后添加到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,其中手動控制采用按鍵中斷方式。通過程序向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送自動和手動以及復(fù)位控制命令,驗證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況。實驗結(jié)果表明,步進(jìn)電機(jī)可以響應(yīng)自動控制和手動微調(diào)請求,同時有效的限位信號可以復(fù)位調(diào)焦鏡頭到達(dá)爬山起始位置和限定鏡頭的移動范圍。
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