【正文】 圖 由于步進電機是電感性負載，對輸出的 PWM 電流具有平滑濾波作用，對電機線圈起作用的是 PWM 的平均電流， 同時輸出信號中的毛刺也將會被慮除。由于從 A到 B，從 B到 C，從 C 到D，每次轉(zhuǎn)換經(jīng)過 32 拍。設(shè)置地址與數(shù)據(jù)表的表達格式均用十六進制表示。 輸出數(shù)據(jù)加載到各數(shù)字比較器 lpm— pare0 的另一端，當 PWM 計數(shù)器的值小于波形 ROM 輸出的數(shù)值時，比較器輸出低電平 。 DIR0， DIR1 為方向控制信號端，為‘ 1’時電機正轉(zhuǎn)，為‘ 0’時電機反轉(zhuǎn)。 中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 32 頁 圖 該系統(tǒng)是由 PWM 計數(shù)器、 ROM 地址計數(shù)器、 PWM 波形 ROM 存儲器、比較器、功放電路等組成。斬波式細分驅(qū)動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測，和 D/A輸出的控制電壓進行比較，若檢測出的電流值大于控制電壓，電路將功放管截止，反之，使功放管導通。放大型步進電機細分驅(qū)動電路中末級功放管的輸出電流直接受 D/A 輸出的控制電壓控制，電路較簡單，電流的控制精度也較高，但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重， 容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動電路的性能。由此可見，步 進電機細分驅(qū)動的關(guān)鍵在于細分步進電機各相勵磁繞組中的電流。步進電機步距角細分是通過改變步進電機相電流的方法來實現(xiàn)的。但是在通常的步進電機驅(qū)動線路中，由于通過各相繞組的電流是個開關(guān)量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應(yīng)的各相繞組產(chǎn)生的中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 32 頁 磁場也是一個開關(guān)量，只能通過各相的通電組合來減小 M? 和 B? 。 M? 與電機的相數(shù) (M)和電機的運行拍數(shù)有關(guān)。用 FPGA 實現(xiàn)多路 PWM 控制，無須外接 D/A 轉(zhuǎn)換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好。 FPGA 技術(shù)在步進電機細分驅(qū)動中的應(yīng)用 步進電機作為一種電脈沖一角位移的轉(zhuǎn)換元件，它受脈沖信號控制，其位移與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比的關(guān)系，它包括脈沖分配器和功率放大器兩部分，如圖。綜合就是將電路的高級語言 (如行為描述 )轉(zhuǎn)換為低級，可以與 FPG 刀 CPLD 的基本結(jié)構(gòu)映射的網(wǎng)表文件或程序。原理圖由邏輯器件 (符號 )和連接線構(gòu)成，圖中的邏輯器件可以是 EDA 軟件庫中預制的功能模塊，如與門、非門、或門、觸發(fā)器以及各種含 74 系列器件功能的宏功能塊，甚至還有一些類似于 IP 的功能塊。一個完整的、典型的 EDA 設(shè)計流程是自頂向下設(shè)計方法的具體實施途徑，也是 EDA工具軟件本身的組成結(jié)構(gòu)。由于無法進行硬件系統(tǒng)功能仿真，如果某一過程存在錯誤，查找和修改十分不方便。 (10)門級時序仿真。 (7)測試向量生成。 (4)VHDL 一 RTL 級建模。 自頂向下的設(shè)計方法能使系統(tǒng)被分解為各個模塊的集合之后，可以對設(shè)計的每個獨立模塊指派不同的工作小組。主系統(tǒng)及子系統(tǒng)最初的功能要求在 VHDL 里體現(xiàn)為可以被 VHDL 仿真程序驗證的可執(zhí)行程序。 由此可見，在某些情況下，自底向上的設(shè)計方法是一種低效、低可靠性、費時費力，且成本高昂的設(shè)計方法。在數(shù)字電路中，電源有兩個基本功能：首先是為邏輯器件提供工作電源，中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 32 頁 其次是為數(shù)字電平信號提供參考電壓。本系統(tǒng)采用邊界掃描模式。它具有存儲器的功能，在設(shè)計中主要用來存儲下載的程序。 Cyclone II FPGA 系列提供了與其上一代產(chǎn)品相同的優(yōu)勢 — 一套用戶定義的功能、業(yè) 界領(lǐng)先的性能、低功耗但具有更多的密度和功能，極大地降低了成本。在設(shè)計過程中，強調(diào) SOC（片上系統(tǒng)）的概念，在 FPGA 平臺上實現(xiàn)了系統(tǒng)中所需要的所有數(shù)字邏輯，包括觸發(fā)器、存儲器，緩沖器， PLL（鎖相環(huán)），計數(shù)器，譯碼器，多路選擇器等。ULN2020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路圖如圖 所示。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。 圖 步進電機具有 如下的特點： 1）一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)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，當步進驅(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。步進電機由于能夠精確控制電機轉(zhuǎn)過的角度，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 第二章：介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計，系統(tǒng)概述，步進電機介紹，步進電機驅(qū)動電路的介紹， FPGA 的介紹。近些年來，由于步進電機的控制精度不斷提高，越來越多有較高控制精度要求的系統(tǒng)也開始采用步進電機。由于 FPGA 高的時鐘頻率和大規(guī)模邏輯門，以及 I/0口多的特點，易 于實現(xiàn)以往無法實現(xiàn)的算法，并且在系統(tǒng)編程的特點使得其研發(fā)比較靈活。 加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM中，配置完成后， FPGA 進入工作狀態(tài)。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block） 、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。 （ 4）基于 FPGA 的控制 2020 年有人利用 Xilinx 公司生產(chǎn)的 CPLD 器件 XC9536 為核心來產(chǎn)生電機繞組參考電流，實現(xiàn)了具有繞組電流補償功能的兩相混合式步進電機 10 細分和 50細分運行方式，獲得了良好的系統(tǒng)運行效果，并顯著提高了兩相混合式步進電機的分辨率，減少震動，并增加電機運行時的穩(wěn)定性川。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。 本方案有以下優(yōu)點 (1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響 。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。 中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 32 頁 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在步進電機的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了多種控制方案。 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，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。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)。可以說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通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動。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。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。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。 （ 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)。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。(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 。 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。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)。 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 。掉電后， FPGA 恢復成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復使用。 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。 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。 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。 步進電機最早是在 1920 年由英國人所開發(fā)?？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。 2）步進電機外表允許的溫度高。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）。 中北大學信息商務(wù)學院 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。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。 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。 FPGA 的配置主要分為兩大類，主動配置方式和被動配置方式。其連接電路如圖 所示。 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。 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。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。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。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 )。這一階段主要是針對 ASIC 設(shè)計 的。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。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。 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 。 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。 硬件描述語言的綜合如圖 所示。 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。用單片機和 DSP 的控制都難以達到同樣的控制效果。 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。因此，這樣可達到的細分數(shù)很有限。通常采用電流矢量恒幅均勻旋