[发明专利]基于FPGA实现低线数光栅条件下的直流电机角度控制电路

说明书

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。

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；