【正文】 于驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)的使用，在正式工業(yè)控制中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 32 頁 中還需在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。 4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090度完全正常。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)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(jìn)電機(jī)的主控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用 L298 驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路。還介紹了 FPGA 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用，以及步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理。系統(tǒng)由 FPGA控制器、 L298驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)組成，能夠步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制。 目前， FPGA 的主要發(fā)展動(dòng)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(shè)計(jì)進(jìn)入 “ 片上可編程系統(tǒng) ” （ SOPC）的新紀(jì)元；芯片朝著高密度、低壓、低功耗方向挺進(jìn)；國際各大公司都在積極擴(kuò)充其 IP 庫，以優(yōu)化的資源更好的滿足用戶的需求，擴(kuò)大市場；特別是引人注目的所謂 FPGA 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的開拓，將推動(dòng)中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 32 頁 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念的巨大轉(zhuǎn)變 。這是一個(gè)高度集成化的單片控制系統(tǒng)，最終可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制電源的模塊化。當(dāng)然，如果將所有的控制性能都設(shè)計(jì)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(shè)模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。 FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(nèi) RAM 中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)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(shù)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(gè)可利用門，發(fā)展到 90 年代的 25 萬個(gè)可利用門，乃至當(dāng)新世紀(jì)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(gè)新的水平 。 傳統(tǒng)用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)雖然成本低廉，然而若在驅(qū)動(dòng)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的情況下，由于單片機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生脈沖的端口或者計(jì)算器有限，我們必然需要多個(gè)單片機(jī)，這時(shí)就涉及到多個(gè)單片機(jī)之間的傳輸協(xié)議和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(yīng)的頻率只能達(dá)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(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)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(jìn) 電機(jī)繞組相數(shù)大于 4 時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。控制系統(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)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(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，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(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。在 windows 平臺(tái)下和單片機(jī)配合控制步進(jìn)電機(jī) 。原來的步進(jìn)電機(jī)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(diào)試安裝復(fù)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(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制， 數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)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(yīng)用。雖然與發(fā)達(dá)國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增， 在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件等的變化而變化。而在這些技術(shù)環(huán)節(jié)中，具有很多優(yōu)點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)就是一個(gè)重要角色，比如在數(shù)控技術(shù)中。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國外一般稱為 Steppingmotor、Pu1Semotor 或 stepperServO，其應(yīng)用發(fā)展己有約 80 年的歷史。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用。我國數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單板機(jī)或單片機(jī)為數(shù)控核心，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，只需一萬元左右就可以裝 備一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，很適合我國中小型企業(yè)使用。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得重要了?；?于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。PLC 控制的脈沖驅(qū)動(dòng)方案等等 。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。 （ 2）基于單片機(jī)控制 采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟 件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配因。 （ 3）基于 PLC 的控制 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)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(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)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(jìn)電機(jī)控制，具有較高地性價(jià)比，并可驅(qū)動(dòng)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)。 FPGA 器件的種類很多，按基本結(jié)構(gòu) 來分包括在 PAL 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)展的 EPLD， CPLD 和標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需 換一片 EPROM即可。 近幾年隨著微電子集成技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用各種可編程邏輯器件特別是 FPGA來構(gòu)成各類電機(jī)控制系統(tǒng)的研究方興未艾。我們可以利用其他廉價(jià)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(shí)現(xiàn)快捷，用以開發(fā)步進(jìn)電機(jī)控制器的效率高，成本低，工作可靠性好。 如何實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時(shí)鐘管理并降低 FPGA與 PCB 并行設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問題，一直是采用 FPGA 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要考慮的關(guān)鍵問題。各部分內(nèi)容安排如下： 第一章：緒論，介紹課題的研究背景及意義、國內(nèi)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(nèi)容。 第四章：介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果，包括集成開發(fā)環(huán)境介紹， VHDL 語言介紹；包括步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)，頂層原 理圖的設(shè)計(jì)， PWM 控制模塊的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果。 F P G A控 制 器步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 電 路步 進(jìn) 電 機(jī) 圖 步進(jìn)電機(jī)介紹 自從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律后，電機(jī)的出現(xiàn)大大加速了社會(huì)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(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 32 頁 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)分為三種：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）。常用小型步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物如圖 所示。 3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。一般的驅(qū)動(dòng)電路可以用分立的達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，如圖。 ULN2020A 由 7 組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng) 7 組負(fù)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(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(gè)邏輯單元、 208 個(gè)引腳、120多個(gè) I/O接口、 18個(gè) 乘法器模塊和 2個(gè)鎖相環(huán)還有專門，還有是一個(gè)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(gòu)建了 Cyclone II 系列。這種工藝技術(shù)確保了快速有效性和低成本。它的正常工作電壓為 。而被動(dòng)配置則由外部計(jì)算機(jī)或控制器控制配置過程。USBBlaster 支持三種配置模式，即主動(dòng)串行模式（ AS），被動(dòng)串行模式（ PS）和邊界掃描模式（ JTAG）。 FPGA 通過它產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，作為中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 32 頁 總的系統(tǒng)時(shí)鐘來控制每個(gè)動(dòng)作的時(shí)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(shè)計(jì) \ 9 9\ n e w F P G A 6 . d db D r a w n B y:Adj