【正文】 于驗證步進電機的使用，在正式工業(yè)控制中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 32 頁 中還需在此基礎上改進。 4）步進電機低速時可以正常運轉 ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090度完全正常。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。FPGA 為主控制器，本系統(tǒng)選用控制功能靈活的 FPGA 作為步進電機的主控制器，步進電機驅動電路選用 L298 驅動的驅動電路。還介紹了 FPGA 技術在步進電機細分驅動中的應用，以及步進電機細分驅動原理。系統(tǒng)由 FPGA控制器、 L298驅動電路、步進電機組成，能夠步進電機的細分驅動控制。 目前， FPGA 的主要發(fā)展動向是：隨著大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯器件的發(fā)展，系統(tǒng)設計進入 “ 片上可編程系統(tǒng) ” （ SOPC）的新紀元；芯片朝著高密度、低壓、低功耗方向挺進；國際各大公司都在積極擴充其 IP 庫，以優(yōu)化的資源更好的滿足用戶的需求，擴大市場；特別是引人注目的所謂 FPGA 動態(tài)可重構技術的開拓，將推動中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 32 頁 數(shù)字系統(tǒng)設計觀念的巨大轉變 。這是一個高度集成化的單片控制系統(tǒng)，最終可實現(xiàn)電機控制電源的模塊化。當然，如果將所有的控制性能都設計在一片 FPGA 芯片中，就不得不考慮到成本的問題。 FPGA 有多種配置模式：并行主模式為一片 FPGA 加一片 EPROM的方式；主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA；串行模式可以采用串行PROM 編程 FPGA；外設模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。 FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 32 頁 通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。 FPGA 是由存放在片內 RAM 中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內的 RAM 進行編程。 可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。在這十幾年的發(fā)展過程中，以 FPGA 為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術取得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場可編程邏輯器件從最初的 1200 個可利用門，發(fā)展到 90 年代的 25 萬個可利用門，乃至當新世紀來臨之 際 ，國際上現(xiàn)場可編程邏輯器件的著名廠商 Altera 公司、Xilinx 公司又陸續(xù)推出了數(shù)百萬門的單片 FPGA 芯片，將現(xiàn)場可編程器件的集成度提高到一個新的水平 。 傳統(tǒng)用單片機控制步進電機雖然成本低廉，然而若在驅動多個步進電機的情況下，由于單片機的內部產(chǎn)生脈沖的端口或者計算器有限，我們必然需要多個單片機，這時就涉及到多個單片機之間的傳輸協(xié)議和步進電機的運行配合等問題，另外，成本也隨之上升。但由于 PLC的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期 的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多，特別是步進 電機繞組相數(shù)大于 4 時，對于大型生產(chǎn)線應該予以考慮?？刂葡到y(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(tài)。 該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設計，因此靈活性不高。 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。由于脈沖控制信號的驅動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅動電路。在 windows 平臺下和單片機配合控制步進電機 。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構，卡片閱讀機，主動輪驅動機構和存儲器存取機構等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制， 數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應用。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術方面整體發(fā)展水平還比較低，但已中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 32 頁 經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。這些關系在負載能力范圍內不隨電源電壓、負載大小、環(huán)境條件等的變化而變化。而在這些技術環(huán)節(jié)中，具有很多優(yōu)點的步進電機就是一個重要角色，比如在數(shù)控技術中。 步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為 Steppingmotor、Pu1Semotor 或 stepperServO，其應用發(fā)展己有約 80 年的歷史。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應用。我國數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單板機或單片機為數(shù)控核心，以步進電機為執(zhí)行元件，由于其結構簡單，價格便宜，只需一萬元左右就可以裝 備一臺經(jīng)濟型數(shù)控機床，很適合我國中小型企業(yè)使用。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得重要了?；?于微型單片機的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。PLC 控制的脈沖驅動方案等等 。步進電機與控制電路、功率放大驅動電路組成一體，構成步進電機驅動系統(tǒng)。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。 （ 2）基于單片機控制 采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟 件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配因。 （ 3）基于 PLC 的控制 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 32 頁 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉動速度，進而控制伺服機構的進給速度。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省 PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應的控制精度就降低了。而 FPGA 使用靈活，可方便地與數(shù)字控制器和模擬控制器連接，直接用于步進電機控制，具有較高地性價比，并可驅動多個步進電機。 FPGA 器件的種類很多，按基本結構 來分包括在 PAL 結構基礎上擴展的 EPLD， CPLD 和標準門陣列邏輯單元型的 FPGA 器件。目前 FPGA 的品種很多，有 Xilinx 的 XC 系列、 TI公司的 TPC 系列、 Altera 公司的FIEX 系列 及 Altera Cyclone 系列等 。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式 。當需要修改 FPGA 功能時，只需 換一片 EPROM即可。 近幾年隨著微電子集成技術的迅猛發(fā)展，利用各種可編程邏輯器件特別是 FPGA來構成各類電機控制系統(tǒng)的研究方興未艾。我們可以利用其他廉價的微控制器和 FPGA 共同來產(chǎn)生 PWM 波形，使 FPGA 器件減少工作量，這樣就可以減少邏輯門，大大降低系統(tǒng)的成本。 由于 FPGA/CPLD 直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷，用以開發(fā)步進電機控制器的效率高，成本低，工作可靠性好。 如何實現(xiàn)快速的時序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時鐘管理并降低 FPGA與 PCB 并行設計的復雜性等問題，一直是采用 FPGA 的系統(tǒng)設計工程師需要考慮的關鍵問題。各部分內容安排如下： 第一章：緒論，介紹課題的研究背景及意義、國內外研究現(xiàn) 狀和 FPGA 的原理及發(fā)展，并介紹了課題的主要研究內容。 第四章：介紹了系統(tǒng)的設計及仿真結果，包括集成開發(fā)環(huán)境介紹， VHDL 語言介紹；包括步進電機設計，頂層原 理圖的設計， PWM 控制模塊的設計和仿真結果。 F P G A控 制 器步 進 電 機驅 動 電 路步 進 電 機 圖 步進電機介紹 自從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律后，電機的出現(xiàn)大大加速了社會的發(fā)展和方便了人們的日常生 活。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 32 頁 現(xiàn)在比較常用的步進電機分為三種：反應式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（ PM）、混合式步進電機（ HB）。常用小型步進電機的實物如圖 所示。 3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。一般的驅動電路可以用分立的達林頓驅動電路實現(xiàn)，如圖。 ULN2020A 由 7 組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網(wǎng)絡以及鉗位二極管網(wǎng)絡構成，具有同時驅動 7 組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。 L298 芯片是具有 15 個引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 32 頁 圖 FPGA 介紹 FPGA 部分是本系統(tǒng)的核心模塊，承載了所有的數(shù)字電路部分。它具有 8000 多個邏輯單元、 208 個引腳、120多個 I/O接口、 18個 乘法器模塊和 2個鎖相環(huán)還有專門，還有是一個集成度較高的 FPGA 芯片。 Altera 采用相同的方法在盡可能小的裸片面積下構建了 Cyclone II 系列。這種工藝技術確保了快速有效性和低成本。它的正常工作電壓為 。而被動配置則由外部計算機或控制器控制配置過程。USBBlaster 支持三種配置模式，即主動串行模式（ AS），被動串行模式（ PS）和邊界掃描模式（ JTAG）。 FPGA 通過它產(chǎn)生一個時鐘信號，作為中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 32 頁 總的系統(tǒng)時鐘來控制每個動作的時間及其快慢。具體電路如 所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 1 8 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設計 \ 9 9\ n e w F P G A 6 . d db D r a w n B y:Adj