【正文】 運行時，按 A— AB— B— BC— C— CD— D— DA— A的順序輪流通電，即半步工作，每次電流換向，步進電機將前進整步距角的 1/8， M? =45176。 電機內(nèi)部磁場每旋轉(zhuǎn)一個圓周，步進電機前進一整個步距角。當給步進電機的 A、 B、 C、 D 四相輪流通電時，步進電機的內(nèi)部磁場從 TA— TB— TC— TD，即磁場產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。用單片機和 DSP 的控制都難以達到同樣的控制效果。實踐證明，步進電機細分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。 由于具有價格低廉、易于控制、無積累誤差和計算機接口方面等優(yōu)點，在機械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 32 頁 功能仿真 :它是直接對 VHDL、原理圖描述等，仿真過程不涉及任何具體器件的硬件特性。 硬件描述語言的綜合如圖 所示。可以說，應(yīng)用 HDL 的文本輸入方法克服了上述原理圖輸入中存在的所有弊端，為 EDA技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展打開了一個廣闊的天地。 原理圖編輯繪制完成后，原理圖編輯器將對輸入的圖形文件進行排錯，之后再將其編譯成適用于邏輯綜合的網(wǎng)表文件。 狀態(tài)圖輸入方法就是根據(jù)電路的控制條件和不同的轉(zhuǎn)換方式，用繪圖的方法，在 EDA 工具的狀態(tài)圖編輯器上繪出狀態(tài)圖，然后由 EDA 編輯器和綜合器將此狀態(tài)變化流程圖形編譯綜合成電路網(wǎng)表。 圖 是基于 EDA軟件的 FPGA 開發(fā)流程框圖，對于目前流行的用于 FPGA 開發(fā)的 EDA 軟件，圖 。 從電子設(shè)計方法學(xué)來看， EDA 技術(shù)最大的優(yōu)勢就是能將所有設(shè)計環(huán)節(jié)納入統(tǒng)一的自頂向下的設(shè)計方案中。對于 IC設(shè)計而言，設(shè)計實現(xiàn)過程與具體生產(chǎn)工藝直接相關(guān)，因此可移植性差只有再設(shè)計出樣機或生產(chǎn)出芯片后才能進行實測。 面向 FPGA 的開發(fā)流程 技術(shù)的優(yōu)勢 在傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)或 IC 設(shè)計中，手工設(shè)計占了較大的比例。在這一級中將使用門級仿真器或仍然使用 VHDL 仿真器 (因為結(jié)構(gòu)綜合后能同步生成 VHDL 格式的時序仿真文件 )進行門 級時序仿真，在計算機上了解更接近硬件目標工作的功能時序。利用獲得的測試向量對 ASIC 的設(shè)計系統(tǒng)和子系統(tǒng)的功能進行仿真。這一階段主要是針對 ASIC 設(shè)計 的。盡管 VHDL 一 RTL 級模型是可綜合的，但對他的功能仿真仍然與硬件無關(guān)，仿真結(jié)果表達的是可綜合模型的邏輯功能。如上所述， VHDL 只有部分 語句集合可用于硬件功能行為的建模，因此在這一階段，必須將 VHDL行為模型表達為 VHDL 行為代碼 (或成為 VHDL 一 RTL 級模型 )。這一建模行為的目的是通過 VHDL 仿真器對整個系統(tǒng)進行系統(tǒng)行為仿真和性中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 32 頁 能評估。這些小組可以工作在不同地點，甚至可以分屬不同的單位，最后將不同的模塊集成為最終的系統(tǒng)模型，并對其進行綜合測試核評估。此外， VHDL 優(yōu)秀的可移植性、 EDA 平臺的通用性以及與具體硬件結(jié)構(gòu)的無關(guān)性，使得前期的設(shè)計可以容易地應(yīng) 用于新的設(shè)計項目，則項目設(shè)計的周期可以顯著縮短。由于綜合工具可以將高級別的模型轉(zhuǎn)換為門級模型，所以整個設(shè)計過程基本是由 計算機自動完成的。一個項目的設(shè)計過程包括從自然語言說明到 VHDL 的系統(tǒng)行為描述、系統(tǒng)的分解、 RTL模型的建立、門級模型產(chǎn)生，到最終的可以物理布線實現(xiàn)的底層電路，就是從高抽象級別到低抽象級別的整個設(shè)計周期。 在電子設(shè)計領(lǐng)域，自頂向下設(shè)計方法只有在 EDA 技術(shù)得到快速發(fā)展和成熟應(yīng)用的今天才成為可能。例如，對于一般電子系統(tǒng)的設(shè)計，使用自底向上的設(shè)計方法，必須首先決定使用的器件類別和規(guī)格，如 74 系列的器件、某種 RAM 和 ROM、某類CPU 或 單片機以及某些專用功能芯片等 :然后是構(gòu)成多個功能模塊，如數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)交換和接口模塊等，直至最后利用它們完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。 為了消除電源線及地線的紋波，在器件及電路板上增加濾波電容，以提高器件的抗干擾能力。時鐘發(fā)生電路的連接情況如圖。其連接電路如圖 所示。在程序下載過程中，圖中VCC 統(tǒng)一接 電壓。 FPGA 的配置主要分為兩大類，主動配置方式和被動配置方式。所有 Cyclone II 器 件都可以通過免費的 Quartus II網(wǎng)絡(luò)版軟件來支持。 Cyclone II 器件擴展了低成本 FPGA 的密度，最多可達到 68， 416 個邏輯單元（ LE）和 比特的嵌入式存儲器。 Cyclone II FPGA 是 Cyclone 系列低成本 FPGA 中的最新產(chǎn)品。從而使得系統(tǒng)中的數(shù)字部分處于完全可編程可調(diào)狀態(tài)，只需根據(jù)需求更新 FPGA程序即可，具有較強的適應(yīng)性和靈活性。輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機等感性負載；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 32 頁 圖 L298 芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，其設(shè)計是為接受標準 TTL 邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的，例如直流電動 機和步進電動機具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。常用的小型步進電 機驅(qū)動電路可以用 ULN2020 或ULN2803。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。在它的作用下，電機隨頻率（或速 度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 2）步進電機外表允許的溫度高。反應(yīng)式步進電機可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機 轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵 產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。 步進電機最早是在 1920 年由英國人所開發(fā)。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 32 頁 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)概述 系統(tǒng)由 FPGA 控制器、步進電機驅(qū)動電路組成，系統(tǒng)功能框圖如圖 所示。 第三章：介紹基于 FPGA 的步進電機細分控制，包括基于 FPGA 的設(shè)計方法，自頂向下的設(shè)計方法，自頂向下的設(shè)計流程，面向 FPGA 的開發(fā)流程， EDA 技術(shù)的優(yōu)勢，面向 FPGA 的 EDA 開發(fā)流程。 課題主要研究內(nèi)容及工作 本文完成了基于 FPGA控制步進電機細分驅(qū)動的設(shè)計。 縱觀現(xiàn)場可編程邏輯器件的發(fā)展歷史，其之所以具有巨大的市場吸引力，根本在于： FPGA 不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā) 軟件投入少、芯片價格不斷降低，促使 FPGA 越來越多地取代了 ASIC的市場，特別是對小批量、多品種的產(chǎn)品需求，使 FPGA 成為首選。這種控制策略簡化了硬件和軟件設(shè)計，并充分利用 FPGA 的快速性，節(jié)省 CPU的資源，這樣就可以在 CPU內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的控制器。 FPGA 獨特的優(yōu)越性使得它在步進電機系統(tǒng)中的應(yīng)用會越來越廣泛。因此，F(xiàn)PGA 的使用非常靈活。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復(fù)使用。 這些低成本器件具有專業(yè)應(yīng)用特性，例如嵌入式存儲器、外部存儲器接口和時鐘管理電路等 。 FPGA 的基本特點 包括 ： （ 1）． 采用 FPGA 設(shè)計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片 ； （ 2）． FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC電路的中試樣片 ； （ 3）． FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O引腳 ； （ 4）． FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一 ； （ 5）． FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容 。 第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件（ FPGA）至今， FPGA 已經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展歷史。由于采用 CPLD/FPGA，極大減少了分立元件的使用，除了少數(shù)接口電路以外，大多數(shù)邏輯均在片內(nèi) 實現(xiàn)。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。 PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。步進電機控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性困 。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。這個系統(tǒng)由三部分組成 :脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。 （ 1）基于電子電路控制 步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語或 C 語一言進行軟件開發(fā)，在 windows 平臺下利用 VISua1C++ 提供的串行通信控件 MSColnln 來實現(xiàn) PC 機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實現(xiàn)由 pC機直接控制步電機的方法 。上世紀 80 年代以后，由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。 除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了“五軸聯(lián)動”，為“神州”系列飛船順列升空立下了汗馬功勞。 正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。就是說給一個電脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)過一個角度或者前進一步，其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個數(shù)、頻率 有著嚴格的比例關(guān)系。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 32 頁 1 緒論 課題研究背景及意義 歷史證明，一個國家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國家的實力，國家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進的制造業(yè)，所以大多數(shù)國家都非常重視大力展制造業(yè)，二戰(zhàn)后，計算機控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控 (NC)、計算機數(shù)控 (CNC)、柔性制造單元 (FMC)、柔性制造系統(tǒng) (FMS)、計算機輔助設(shè)計與制造 (CAD/CAM)、計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)等多項先進制造技術(shù)與制造模式，推著世界制造業(yè)進入一個嶄 新的階段川?？梢哉f步進動機天生就是一種離散運動的裝置，是純粹的數(shù)字控制電動機，步進電機驅(qū)動器通過外加控制脈沖，控制步進電動機各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動。步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國己經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。采用步進電機作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進的檢測和反饋元件，組成高精度全閉環(huán)數(shù)控系列，從而達到很高的加工精度。 為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多