基于FPGA的伺服驅動器分周比設計與實現

引 言
電動機是各類數控機床的重要執行部件。要實現對電動機的精確位置控制，轉子的位置必須能夠被精確的檢測出來。光電編碼器是目前最常用的檢測器件。光電編碼器分為增量式、絕對式和混合式。其中，增量式以其構造簡單，機械壽命長，易實現高分辨率等優點，已被廣泛采用。增量式光電編碼器輸出有A，B，Z三相信號，其中A相和B相相位相差90°，Z相是編碼器的“零位”，每轉只輸出一個脈沖。在應用中，經常需要對A相、B相正交脈沖按照一定的比例，即分周比進行分頻。分頻的難點是，無論設定分周比是整數還是分數，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的整數分周比實現方法。該方法邏輯結構簡單，配置靈活，易于擴展，具有很高的實用價值。

1 電子齒輪比與分周比
電子齒輪比與分周比是數控機床和數控加工中心中一個很重要的概念。國外大部分伺服驅動裝置有電子齒輪比和分周比功能，其中電子齒輪比KEG為伺服電機實際執行的脈沖量與指令脈沖量之比，分周比KDF是伺服驅動器接收到來自伺服電動機軸上脈沖編碼器的脈沖量與實際反饋到上位伺服控制系統(CNC)上脈沖量的比。配合使用電子齒輪比和分周比功能，用戶可以方便地實現整數脈沖當量，從而避免中間計算出現量化誤差，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編碼器線數或者不同螺距絲杠的機床或者加工中心。
電子齒輪比和分周比可以按照下式計算求得。

式中：PG為電機光電編碼器線數，單位為P／rev(脈沖／轉)；P為絲杠螺距，單位為mm／rev(毫米／周)；△l為脈沖當量，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現，而對于分周比，由于驅動器反饋到CNC的脈沖量一般采用正交脈沖序列，故分周比的實現相對于齒輪比要困難。國外的各種驅動器一般都帶有分周比功能，對利用FPGA實現分周比進行研究和探討，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
分周比功能的實現結構如圖2所示。

分周比的實現需要3個功能模塊：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，輸出為方向信號和四倍頻后的脈沖。DF模塊可實現輸入脈沖的三分頻。DF內部是一個增減計數器，根據輸入的方向信號進行增、減計數，正向計至設定的正閾值后輸出一個脈沖和正方向信號，負向計至設定的負閾值后輸出一個脈沖和負方向信號。當計數值在正負閾值之間時，即使電機方向發生變化，甚至抖動，輸出方向信號都保持不變。
OSG模塊用輸入脈沖沿觸發內部狀態機進行狀態轉換，根據輸入的方向信號判決要跳轉的狀態，從而產生正交信號和方向信號。

3 仿真研究
根據圖2，利用ACTEL公司的Libro 8．1開發平臺，采用VHDL硬件語言，創建了相應的功能模塊，原理圖如圖3所示。