步進(jìn)電機(jī)在短波發(fā)射機(jī)的應(yīng)用與問題解析

張志紅

（國家新聞出版廣電總局731臺(tái)，福建　龍巖　364000）

工程技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)在短波發(fā)射機(jī)的應(yīng)用與問題解析

張志紅

（國家新聞出版廣電總局731臺(tái)，福建龍巖364000）

針對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，提出一種采用FPGA對步進(jìn)電機(jī)速度與位置控制的方法，建立一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度控制，可防止失步和過沖，提高工作效率，并結(jié)合實(shí)際工作控制，對平時(shí)出現(xiàn)的故障進(jìn)行匯總，為今后維護(hù)打下基礎(chǔ)。

短波發(fā)射機(jī)；FPGA；步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；光電碼盤

引言

步進(jìn)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的一種機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，在短波發(fā)射機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)中取代了直流電機(jī)的地位，具有工作穩(wěn)定、運(yùn)行精確等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，需要多路通信能力和快速的運(yùn)算能力和抗干擾能力，結(jié)合工業(yè)控制機(jī)，加上FPGA的功能，當(dāng)每個(gè)運(yùn)行的電機(jī)進(jìn)行精確地控制時(shí)，發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)更佳，符合現(xiàn)行的短波發(fā)射機(jī)的控制設(shè)計(jì)。

1　步進(jìn)電機(jī)在發(fā)射機(jī)中的運(yùn)行原理

1.1系統(tǒng)概述

發(fā)射機(jī)的運(yùn)行過程以FPGA為控制核心，由控制單元、保護(hù)單元和調(diào)諧單元構(gòu)成，在發(fā)射機(jī)的運(yùn)行過程，通過對FPGA邏輯外部信號的綜合分析：一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)，通過調(diào)整單元調(diào)整到位置驅(qū)動(dòng)，由光電碼盤實(shí)時(shí)檢測，保證了調(diào)諧裝置的旋轉(zhuǎn)位置的準(zhǔn)確性，具有良好的驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力，并賦予了快速的判斷能力［1］。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖1所示），包括以下部分：

1）FPGA控制核心，以FPGA為整體信號處理板，接收短波發(fā)射機(jī)各個(gè)采集點(diǎn)所得的信息后，再對外輸出相應(yīng)的控制信號。在硬件上為短波發(fā)射機(jī)的開、關(guān)機(jī)、倒頻，各路調(diào)諧元件的位置驅(qū)動(dòng)，各個(gè)調(diào)諧點(diǎn)的精確細(xì)調(diào)，各種過荷保護(hù)；在軟件上用戶可以隨時(shí)地對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、更改、刪除等操作，檢查各項(xiàng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：驅(qū)動(dòng)接收來自FPGA輸出的脈沖信號驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，比如設(shè)定的方向、角位移和旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定點(diǎn)，均由輸入控制脈沖的數(shù)目決定；脈沖頻率則是決定了電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度，通過改變脈沖頻率達(dá)到調(diào)速控制的目的。

3）光電碼盤：光電編碼器通過齒輪電機(jī)采集光電信號，光電采樣相對原機(jī)械采樣更準(zhǔn)確，F(xiàn)PGA發(fā)送的數(shù)字信號，即實(shí)際位置和設(shè)定電機(jī)的位置進(jìn)行比較，如果設(shè)定的位置，原套數(shù)字值大于數(shù)字實(shí)時(shí)采樣值的光電編碼器實(shí)際位置，發(fā)出一個(gè)正信號，否則發(fā)出負(fù)信號，抗干擾強(qiáng)帶光耦隔離，以避免誤操作。

圖1　步進(jìn)電機(jī)FPGA控制系統(tǒng)框圖

2　發(fā)射機(jī)工作控制原理

短波發(fā)射機(jī)的工作過程為粗調(diào)控制、細(xì)調(diào)控制、自動(dòng)|手動(dòng)控制，具體包括：

1）粗調(diào)控制：發(fā)射機(jī)與8驅(qū)動(dòng)元件連接，工作時(shí)調(diào)整到預(yù)先設(shè)定的位置，其中所需的調(diào)諧電容、諧振電感和諧振腔的短連接板。

2）細(xì)調(diào)控制：發(fā)射機(jī)加電后，發(fā)射機(jī)要達(dá)到滿功率，每一個(gè)調(diào)諧元件的電感需調(diào)整已到位，共振后才是最合理的狀態(tài)，發(fā)送信號根據(jù)電容的微調(diào)，細(xì)分值取決于不同的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置。

3）自動(dòng)|手動(dòng)控制：自動(dòng)微調(diào)由檢測信號反饋，人工手動(dòng)操作則根據(jù)電壓和電流狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)［2］。

2.1粗調(diào)

在FPGA內(nèi)部ROM的不同工作頻率的多調(diào)整對應(yīng)的最優(yōu)位置信息元素存儲(chǔ)在發(fā)射機(jī)，需要調(diào)整到相應(yīng)的調(diào)諧元件的頻率調(diào)制的位置信息給FPGA主要的芯片spt-200，由主芯片將激勵(lì)調(diào)整到相應(yīng)的頻率值和水平，各種電機(jī)預(yù)設(shè)位置數(shù)據(jù)信號。數(shù)字脈沖信號的預(yù)定位置信息轉(zhuǎn)換傳輸?shù)?個(gè)步進(jìn)電機(jī)，也從A/D轉(zhuǎn)換器讀出調(diào)諧元件的當(dāng)前位置信息，在內(nèi)部FPGA將預(yù)設(shè)的位置和實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，通過邏輯判斷，根據(jù)大小和極性的差異來控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向，直到誤差信號為零，調(diào)整到位，然后沒有高頻率輸出的機(jī)器，命令輸入開關(guān)，連接高頻，準(zhǔn)備微調(diào)。

2.2細(xì)調(diào)

前級調(diào)諧：各電機(jī)到位后解除封鎖，開始微調(diào)前級電容器，根據(jù)相位電壓的采集，正和負(fù)對比，反轉(zhuǎn)電機(jī)，當(dāng)錯(cuò)誤時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，直至等級鑒相電壓輸出。

末級細(xì)調(diào)：前級細(xì)調(diào)結(jié)束后，啟動(dòng)末級3路調(diào)諧電容和5路調(diào)載電容，暫時(shí)封鎖1路電機(jī)，高頻供電電壓和高頻激勵(lì)設(shè)定在較低的運(yùn)行狀態(tài)，通過相位器件，正和負(fù)方向調(diào)整，當(dāng)調(diào)整和負(fù)載到位后，此時(shí)，發(fā)射機(jī)已準(zhǔn)確地調(diào)諧在諧振點(diǎn)，下一步可以用全電壓加音頻。

2.3調(diào)諧中的電機(jī)控制

調(diào)諧中步進(jìn)電機(jī)控制關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：一是速度的控制，調(diào)諧是有時(shí)間限定的，需要步進(jìn)電機(jī)加減速的控制；二是精確度的控制，由光電碼盤隨動(dòng)取樣反饋，決定電機(jī)的精確度。

加減速的控制：減速加速是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度、跳躍頻率和加速度曲線加速，但不同的負(fù)載跳變頻率是不同的，一般的跳躍頻率不宜過大，以存儲(chǔ)在ROM中的計(jì)數(shù)頻率之前，F(xiàn)PGA直接選擇，這個(gè)時(shí)間短；放緩，通過控制脈沖頻率，電機(jī)能平穩(wěn)減速和停止時(shí)注意剎車，不能太生硬，防止元件損壞，這樣的特性很好地保護(hù)了連接裝置的銷釘。在三階段，如果設(shè)計(jì)不合適，會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失速。

3　實(shí)際問題與解決

1）問題1：電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，和控制的方向相反。

處理：步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向是由FPGA控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器而來，脈沖信號出現(xiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部出現(xiàn)問題，更換步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器后，電機(jī)方向恢復(fù)正常。

2）問題2：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中進(jìn)行卡齒輪，步進(jìn)電機(jī)無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

處理：單獨(dú)拆卸步進(jìn)電機(jī)不帶任何負(fù)載，接上電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，仍會(huì)卡齒，對步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)是限位轉(zhuǎn)軸由于長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸平面削損，更換此機(jī)械裝置后恢復(fù)正常。

3）問題3：發(fā)射機(jī)工作中忽然掉電，導(dǎo)致整體工作單元失去數(shù)據(jù)，恢復(fù)電源后，發(fā)現(xiàn)各路電機(jī)均無法驅(qū)動(dòng)。

處理：發(fā)射機(jī)的FPGA控制系統(tǒng)沒有UPS電源保護(hù)，斷電后，對FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重的沖擊，對外輸出無法正常運(yùn)行，脈沖序列出現(xiàn)問題這樣無法控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，對FPGA控制系統(tǒng)進(jìn)行重啟，如果重啟無效的話，只能更換FPGA控制系統(tǒng)備件。

4）問題4：一路電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中，顯示在液晶屏的，電機(jī)數(shù)值卻無任何反應(yīng)，仍停留在原值，其他各路電機(jī)數(shù)值正常。

處理：對數(shù)字顯示的實(shí)際位置，由步進(jìn)電機(jī)光電編碼器反饋，物理采樣電機(jī)光電編碼器改變，信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號發(fā)送給FPGA，數(shù)值無法變化，估計(jì)是光電碼盤問題或接線斷開，先檢查碼盤的接線，無誤后再更換光電碼盤。

5）問題5：正常步進(jìn)電機(jī)檢修中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的外部有明顯機(jī)油流溢的痕跡，表面溫度比其他電機(jī)高。

處理：電機(jī)溫度不對，說明內(nèi)部的散熱或是機(jī)油潤滑是有問題的，外表觀察發(fā)現(xiàn)該步進(jìn)電機(jī)的裝機(jī)方向和其他電機(jī)不同，機(jī)油進(jìn)口是向下，由于重力原因，導(dǎo)致長期的機(jī)油溢出，機(jī)油的減少導(dǎo)致摩擦的增加，溫度自然就升高。處理中，對機(jī)油進(jìn)口進(jìn)行了改良，增加了防溢接頭，另外，將電機(jī)的位置重新安裝［3］。

4　結(jié)語

在短波發(fā)射機(jī)中運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)突出，實(shí)際效果明顯，有效提高了發(fā)射機(jī)的性能，與原來的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)相比，具有很高的實(shí)用價(jià)值，且累計(jì)了多年故障處理的經(jīng)驗(yàn)，有較強(qiáng)的自身步進(jìn)電機(jī)的維護(hù)能力。

［1］黃曉兵.THB-522型150KW短波發(fā)射機(jī)維護(hù)手冊［M］.北京:中國書籍出版社，2011:148-152.

［2］TBH-522型短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)說明書［Z］.北京:福昊達(dá)科技開發(fā)有限公司，2006:57-62.

［3］楊菁.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（6）:7-8.

（編輯：王紅霖）

Application and Problem Analysis of Stepping Motor in ShortWave Transm itter

Zhang Zhihong
（Publication，Radio，F(xiàn)ilm and Television of China 731 Station，Longyan Fujian 364000）

The steppermotor operation characteristic，put forward amethod of using FPGA to step into themotor speed and position control，establish a kind of step motor drive control system，the system uses pulse frequency achieve the steppermotor speed control，can prevent the loss of step and overshoot，improve work efficiency，combined with the actualwork control，fault of usual the summary，for futuremaintenance and lay the foundation.

shortwave transmitter；FPGA；steppermotor；step driver；photoelectricencoder

TM383.6

A

2095-0748（2016）11-0022-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.09

2016-04-18

張志紅（1964—），女，福建龍巖人，大專，電氣工程師，研究方向：短波發(fā)射技術(shù)。