【正文】 這就是現(xiàn)有細(xì)分技術(shù)方案不能達(dá)到超高分辨的根本原因。同時，不可避免的摩擦負(fù)載以及其他負(fù)載力矩的波動導(dǎo)致失調(diào)角出現(xiàn)不規(guī)則的小變動或小跳躍，也使微步距角曲線在周期性波動上出現(xiàn)不光滑的小鋸齒形。選擇模式欄Mode 中的選項為JTAG，點擊下載文件后面的Program/Configure框，最后單擊Start按鈕，等一段時間當(dāng)Progress顯示100%時，表示下載成功，如圖440所示。為清晰地了解電路圖的結(jié)構(gòu)提供了便利。設(shè)置完畢后即可開始仿真。第二種方法是單擊圖430中的按鈕，同時加入多個端口名稱。圖427 全程編譯成功 時序仿真對工程編譯成功后，必須對其功能和時序性質(zhì)等進行軟件仿真測試，以便了解設(shè)計是否符合要求。保，點擊 File→Create/Update →Create Symbol Files for Current File命令，即生成圖425所示cmp3模塊。首先打開 文件，點擊菜單中 File→Create/Update→Create Symbol Files for Current File 命令，則生成圖 420 所示 Dec2 模塊。此工程文件加入的方法有兩種：第1種是單擊Add All按鈕，將設(shè)定的工程目錄中的所有VHDL文件加入到工程文件欄中；第2種方法是單擊“Add...”按鈕，從工程目錄中選出相關(guān)的VHDL文件。28圖 415 定制好的 BUXMUX 模塊 創(chuàng)建工程只有元器件都設(shè)計好了才能最終連成電路結(jié)構(gòu)圖。如圖 48 顯示了一個 lpm_rom 模塊。在此選擇ROM的數(shù)據(jù)數(shù)Number為32，數(shù)據(jù)寬Word size取8位。當(dāng)出現(xiàn)問句 “Do you want to creat…”時，若單擊“是 ”按鈕，則直接進入創(chuàng)建工程流程。然后點擊鼠標(biāo)右鍵新建一個文件夾，在此取名為stepmoto，則路徑為：F：\stepmoto。編譯器首先檢查出工程設(shè)計文件中可能錯誤的信息，供設(shè)計者排出。驅(qū)動器細(xì)分后完全消除了電機的低頻振蕩，提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電機的分辨率。圖 34 中的 PWM 計數(shù)器（CNT8）將整個 PWM 周期 4 等分。 FPGA 產(chǎn)生的 PWM 信號控制各功率管驅(qū)動電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中 PWM 信號隨 ROM 數(shù)據(jù)而變化，改19變輸出信號的占空比，達(dá)到限流及細(xì)分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)布局細(xì)分的目的。或者說，步距角的細(xì)分就是電機繞組電流的細(xì)分，從而可驅(qū)動步進電機平滑運行。這種細(xì)分驅(qū)動電路線路復(fù)雜，體積大，成本高，而且電路一旦制造出來就難以改變其細(xì)分?jǐn)?shù)，缺乏柔性，因此在目前的實用中已經(jīng)很少采用這種方法。因此，這樣可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)很有限。一般地，當(dāng)步進電機的內(nèi)部磁場變化一周（360 。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控16制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。其基本原理作用如下：步進電機正、反轉(zhuǎn)控制:步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，四相雙四拍步進電機通電順為 AB—BC—CD—DA—AB……時電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按 AD—DC—CB—BA—AD……順序通電時電機反轉(zhuǎn)．因此，可以通過PLC 輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。：步進電機因為加速性能優(yōu)越,所以可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。以 5 相步進電機為例：其定位基本單位(分辨率)為 176。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。其中： CLOCK0 為步進電機速度控制時鐘；CLOCK5 為 PWM 控制時鐘；12鍵 8 為步進電機正反轉(zhuǎn)控制鍵；鍵 7 為步進電機細(xì)分/非細(xì)分選擇鍵。 [4]。 1～鍵 8 為實驗信號控制鍵，此 8 個鍵受“多任務(wù)重配置”電路控制，它在每一張電路圖中的功能及其與主系統(tǒng)的連接方式隨模式選擇鍵的選定的模式而變。EDA 技術(shù)是電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，目前正處于高速發(fā)展階段，每年都有新的 EDA 工具問世。、標(biāo)準(zhǔn)化框架結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計環(huán)境和并行設(shè)計工程近年來，隨著硬件描述語言等設(shè)計數(shù)據(jù)格式的逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，不同設(shè)計風(fēng)格9和應(yīng)用的要求使得有必要建立開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的 EDA 框架。對應(yīng)于不同層次的硬件描述，有不同級別的綜合與仿真工具。 EDA 階段20 世紀(jì) 90 年代以來，繼承電路技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，其工藝水平已經(jīng)達(dá)到了深亞微米級，在一個芯片上已經(jīng)可以集成上百萬、上千萬乃至上億個晶體管，芯片的工作頻率達(dá)到了 GHz 級。，不能提供系統(tǒng)級的仿真和綜合，所以設(shè)計中的錯誤往往只能在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能被發(fā)現(xiàn)，這時再進行修改十分困難。此處就是完成印刷電路板的布局布線、簡單版圖的繪制等工作。 EDA 技術(shù)發(fā)展歷程EDA 技術(shù)已有 30 年的發(fā)展歷程，大致可分為三個階段。而在 EDA 技術(shù)應(yīng)用中，自頂向下的設(shè)計方法，就是在整個設(shè)計流程中各設(shè)計環(huán)節(jié)逐步求精的過程，是其首選設(shè)計方法。 ，使設(shè)計者能更大程度地將自己的材質(zhì)和創(chuàng)造力集中在設(shè)計項目性能的提高和成本的降低上。 相對于傳統(tǒng)的電子設(shè)計方法，EDA 還存在以下等優(yōu)勢：，縮短設(shè)計周期。EDA 技術(shù)使得設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言VHDL 和 EDA 軟件來完成對系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)。通過本文的討論，旨在展示一種新的獲得步進電機細(xì)分驅(qū)動控制器的方法，并且實踐證明本文所展示的方法簡便易行且是行之有效的，為設(shè)計步進電機細(xì)分驅(qū)動控制器提供了一種新的思路。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)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(dá)到調(diào)速的目的。為了較清晰地展示步進電機細(xì)分驅(qū)動控制器的設(shè)計，本文的組織順序如下：第 1 章詳細(xì)介紹了 EDA 技術(shù)的概念，VHDL 硬件描述語言的各種優(yōu)勢，論2述了 EDA 技術(shù)的發(fā)展歷程，為后面 EDA 軟件平臺的使用奠定了基礎(chǔ)。EDA 技術(shù)在硬件實現(xiàn)方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)，IC 版圖設(shè)計技術(shù)、ASIC 測試和封裝技術(shù)、FPGA/CPLD 編程下載技術(shù)、自動測試技術(shù)等；在計算機輔助工程方面融合了計算機輔助設(shè)計（CAD） 、計算機輔助制造（CAM） 、計算機輔助測試（CAT） 、計算機輔助工程（CAE）技術(shù)以及多種計算機語言的設(shè)計概念；而在現(xiàn)代電子學(xué)方面則容納了更多的內(nèi)容，如電子線路設(shè)計理論、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)建模和優(yōu)化技術(shù)及長線技術(shù)理論等。 EDA 公司與半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商合作、共同開發(fā)，從而能夠完成各種自動設(shè)計過程。 技術(shù)具有更好的高速性能。應(yīng)用 VHDL 進行自頂向下的設(shè)計，就是使用 VHDL 模型在所有綜合級別對硬件設(shè)計進行說明、建模和仿真測試。70 年代為計算機6輔助設(shè)計（CAD） （Computer Aided Design ）階段，人們開始用計算機輔助進行IC 版圖編輯、PCB 布局布線，取代了手工操作。例如，目前常用的 PCB 布線軟件 Protel 的早期版本Tango、用于電路模擬的 SPICE 軟件以及后來產(chǎn)品化的 IC 版圖編輯與設(shè)計規(guī)則檢查系統(tǒng)等軟件，都是這個時期的產(chǎn)品。 CAE 階段 進入 20 世紀(jì) 80 年代以后，隨著集成電路規(guī)模的擴大及電子系統(tǒng)設(shè)計的逐步復(fù)雜，使得電子設(shè)計自動化的工具逐步完善和發(fā)展，尤其是人們在設(shè)計方法學(xué)、設(shè)計工具集成化方面取得了長足的進步。這不僅為片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）的實現(xiàn)提供了可能，同時對電子設(shè)計的工具提出了更高的要求，促進了 EDA 技術(shù)的發(fā)展。高層次的綜合與仿真將自動化設(shè)計的層次提高到了算法行為級，使設(shè)計者無需面對低層電路，而把精力集中到系統(tǒng)行為建模和算法設(shè)計上，而且可以幫助設(shè)計者在最早的時間發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤，從而大大縮短了設(shè)計周期。所謂框架，就是一種軟件平臺結(jié)構(gòu)，為 EDA 工具提供操作環(huán)境。EDA 技術(shù)在仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷電路板設(shè)計及操作平臺的擴展等方面都面臨著新的、巨大的挑戰(zhàn)，這些問題實際上也是新一代 EDA 技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。 FPGA/CPLD 萬能接插口，能自動識別 6 大 FPGA/CPLD 公司的產(chǎn)品，即能對這些公司的 FPGA/CPLD 都可進行實驗開發(fā)，如11Altera、 Xilinx、Lattice、Vantis、Atmel 等。、PS/2 與并行通信接口電路 [4]。圖 22 模式 5 結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié)本章介紹了實驗板 GW48PK2 的結(jié)構(gòu)，并特別介紹了本課題用到的模式 5的結(jié)構(gòu)圖，為后面實現(xiàn)電路功能提供了硬件知識。 步進電機的工作特點步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定 [8]。(全步級 )/176。、不必依賴傳感器定位：步進電機的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器(ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機)及位置傳感器(SENSOR)，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。步進電機運動速度的控制：步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。驅(qū)動器細(xì)分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩；提高了電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。 ）時，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，因此，步進電機的步距角θ B 可表示為： （31）rMBN??式中，N r 為步進電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θ M 為步進電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。以四相反應(yīng)式步進電機為例，最多只能實現(xiàn)二細(xì)分，對于相數(shù)較多的步進電機可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)稍大一些，但也很有限。實踐表明，如果使用 FPGA 進行數(shù)字控制，將為步進電機的細(xì)分驅(qū)動帶來很大的便利。18圖 33 所示為步進電機細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，直觀地反映了步進電機細(xì)分驅(qū)動的原理。輸出細(xì)分電流信號采用 FPGA 中 LPM_ROM 查表法，它是通過在不同地址單元內(nèi)寫入不同的 PWM 數(shù)據(jù)，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。 細(xì)分驅(qū)動性能的改善 經(jīng)過硬件驗證顯示，在線性電流的驅(qū)動下，步進電機轉(zhuǎn)子的微步進是不均勻的，并呈現(xiàn)出明顯的周期性波動。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。然后產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)化的以網(wǎng)表文件表達(dá)的電路原理圖文件。將編譯產(chǎn)生的 SOF 格式配置文件配置進 FPGA 中 [10]。 編輯源程序該課題的軟件環(huán)境是 QuartusⅡ。因為此文件并非頂層設(shè)計，因此不能在此創(chuàng)建工程，單擊“否”按鈕。單擊OK按鈕將出現(xiàn)如圖45所示的空的mif數(shù)據(jù)表格，表格中的數(shù)據(jù)格式可以通過鼠標(biāo)右鍵單擊窗口邊緣的地址數(shù)據(jù)彈出的窗口選擇?，F(xiàn)對 rom 模塊定制流程進行詳細(xì)介紹。在本課題中用到的DecCNTCNT2cmp3都需要在建立工程后生成為工程元件，因此下面要進入創(chuàng)建工程環(huán)節(jié)。圖417 將設(shè)計文件加入工程 選擇目標(biāo)芯片單擊圖417 中的Next 按鈕，選擇目標(biāo)芯片。按照同樣的方法生成 CNT8 和 CNT24 模塊。 圖424 cmp3內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) 圖425 cmp3模塊 電路圖的整體設(shè)計各元器件都已設(shè)計好，下面的工作就是把電路圖所需的所有模塊、元器件調(diào)出來，在工程文件 中按照第三章的電路設(shè)計連成完整的電路圖，如圖 426 所示，保存文件。這樣做的好處一個就是可以在設(shè)計的前期就能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題和不足，另一個就是減少了直接進行硬件測試的風(fēng)險，提高34了設(shè)計的質(zhì)量。待所有的端口加入完畢后單擊圖中的OK按鈕，得到圖431所示的窗口。36圖433 設(shè)置仿真器參數(shù) 啟動仿真過程選擇菜單Processing→Start Simulation選項，待仿真過程結(jié)束后出現(xiàn)圖434和圖435 所示的結(jié)果。圖436 stepmoto工程的RTL電路圖 硬件實現(xiàn) 分配硬件引腳選擇菜單Assignments→Assignment Editor選項，則會彈出引腳分配窗口。此時即可以在GW48PK2硬件上進行步進電機細(xì)分驅(qū)動控制器的功能驗證。但這并不影響該設(shè)計的正確性。為解決這個問題，很多資料都曾經(jīng)提出對細(xì)分電流進行修正的方法，但一直未見一個實用、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型及可行的細(xì)分方案。特別是負(fù)載轉(zhuǎn)動慣性比較大時，該現(xiàn)象很明顯以致嚴(yán)重地影響到細(xì)分步進轉(zhuǎn)角的非線性和均勻旋轉(zhuǎn)的控制。但步進電機轉(zhuǎn)子的微步進是不均勻的，并呈現(xiàn)出明顯的周期性波動，這是因為磁場的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復(fù)，從而導(dǎo)致微步距角周期性變化。 下載引腳鎖定文件選擇菜單Tools→Programmer選項，則會彈出圖439 所示的窗口。雙擊圖形中有關(guān)模塊，或選擇左側(cè)各項可逐層了解各層次的電路結(jié)構(gòu)。單擊Simulation input項右面的“...”按鈕，把End simulation at項改，注意此處的時間一定要和剛才設(shè)置的仿真結(jié)束時間保持一致。35圖430 選擇需要的端口從找到的所有輸入輸出端口中選擇仿真所要用的端口到波形仿真文件有兩個方法，一種方法是用鼠標(biāo)依次單擊圖430中的端口名稱，然后