【正文】 口下載電纜是一種直接連接到 PC 機(jī) USB 接口的硬件接口產(chǎn)品。 本系統(tǒng)中的 FPGA 配置芯片采用 Altera 公司的芯片 EPCS4。 Altera 公司于 2020年推出的 Cyclone 器件系列永遠(yuǎn)地改變了整個(gè) FPGA 行業(yè)，帶給市場(chǎng)第一也是唯一的以最低成本為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的 FPGA 系列產(chǎn)品。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖 。 ULN2020 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 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。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。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(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。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。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。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。 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 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。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(chǎng)集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場(chǎng)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(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)可編程器件的集成度提高到一個(gè)新的水平 。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。控制系統(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。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)。 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。在 windows 平臺(tái)下和單片機(jī)配合控制步進(jìn)電機(jī) 。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。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(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。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。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。我國(guó)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(jiǎn)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(guó)中小型企業(yè)使用?；?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。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)。 （ 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。 （ 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(yè) 共 32 頁(yè) PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。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(chǎng)有多種專用芯片可以選用。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)。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 。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需 換一片 EPROM即可。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。 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。 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(yǔ)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。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。 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(yè) 共 32 頁(yè) 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）。 3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。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。 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。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。這種工藝技術(shù)確保了快速有效性和低成本。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。 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(yè) 共 32 頁(yè) 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。 3 基于 FPGA 的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制 基于 FPGA 的設(shè)計(jì)方法 自頂向下的設(shè)計(jì)方法 傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)流程通常是自底向上的，即首先確定構(gòu)成系統(tǒng)的最底層的電路模塊或元件的結(jié)構(gòu)和功能，然后根據(jù)主系統(tǒng)的功能要求，將它們組合成更大的功能塊，使它們的結(jié)構(gòu)和功能滿足高層系統(tǒng)的要求。當(dāng)今，自頂向下的設(shè)計(jì)方法己經(jīng)是 EDA 技術(shù)的首選設(shè)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 16 頁(yè) 共 32 頁(yè) 計(jì)方法，是 CPLD 開發(fā)的主要設(shè)計(jì)手段。因此，在設(shè)計(jì)周期中，要根據(jù)仿真的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，以及對(duì)模型及時(shí)的修改，以改進(jìn)系統(tǒng)或子系統(tǒng)的功能，更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高目標(biāo)系統(tǒng)的工作速度，減小面積損耗，降低功耗和成本等，或者啟用新技術(shù)器件或新的 IP 核。 (2)建立 VHDL 行為模型，這一步是將設(shè)計(jì)說明書轉(zhuǎn)化為 VHDL 行為模型。 (5)前端功能仿真。對(duì) ASIC 的測(cè)試向量文件是綜合器結(jié)合含有版圖硬件特性的工藝庫(kù)后產(chǎn)生的，用于對(duì) ASIC 的功能測(cè)試。這是對(duì)最后完成的硬件系統(tǒng) (如 AsIC 或 CPLD)進(jìn)行檢查和測(cè)試。 EDA 工具之所以能夠完成各種自動(dòng)設(shè)計(jì)過程，關(guān)鍵是有各類庫(kù)的支持 EDA 技術(shù)中最為矚目的功能，即最具現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)特征的功能是日益強(qiáng)大的邏輯仿真測(cè)試技術(shù)。 （ 1）設(shè)計(jì)輸入 (原理圖 /HDL 文本編輯 ) 通常使用 EDA 工具的設(shè)計(jì)輸入可分為兩種類型 :圖形輸入與硬件描述語(yǔ)言文本輸入。 然而，由于圖形設(shè)計(jì)方式并沒有得到標(biāo)準(zhǔn)化，不同的 EDA 軟件中的圖形處理工具對(duì)圖形的設(shè)計(jì)規(guī)則、存檔格式和圖形編譯方式都不同，因此圖形文件兼容性差，難以交換和管理。 （ 4）時(shí)序仿真與功能仿真 在編程下載前必須利用 EDA工具對(duì)適配生成的結(jié)果進(jìn)行模擬測(cè)試，就是所謂的仿真。 1975 年美國(guó)學(xué)者 首次在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。 設(shè)矢量 TA、 TB、 TC、 TD為步進(jìn)電機(jī) A、 B、 C、 D 四相勵(lì)磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量 。若四相步進(jìn)電機(jī)按 A— B— C— D— A的順序輪流通電，即整步工作，磁場(chǎng)分四拍旋轉(zhuǎn)，每次電 流換向，步進(jìn)電機(jī)將前進(jìn)整步距角的 1/4， M? =90176。因此要使可達(dá)到的細(xì)分 數(shù)較大，就必須能控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流，使其按階梯上升或下降，即在零到最大相電流之間能有多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的磁場(chǎng)矢量幅值也就存在多個(gè)中間狀態(tài)，這樣，相鄰兩相或多相的合成磁場(chǎng)的方向也將有多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)。圖 。這種細(xì)分驅(qū)動(dòng)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，因此目前己很少采用這種方法。 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 26 頁(yè) 共 32 頁(yè) 開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問題。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)載，對(duì)電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電 路的調(diào)制頻率較高，一般大于 20 kHz，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。由此可輸出周期性的 PWM 波形。 PWM 控制模塊設(shè)計(jì) 256 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)如圖 所示。改變 ROM 中的數(shù)據(jù)，就可以改變一個(gè)計(jì)數(shù)周期中高低電平的比例，從而改變輸出信號(hào)的占空比，當(dāng)電流增加時(shí)，各相電流由 0 經(jīng)過 N 均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升至穩(wěn)定值 :當(dāng)電流下降時(shí)，各中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 29 頁(yè) 共 32 頁(yè) 相電流又以同樣的階梯從穩(wěn)定值下降為零。只需用不同的規(guī)律進(jìn)行地址選擇即可實(shí)現(xiàn)不同的細(xì)分。 圖 圖中管腳 P展示的是從 LPM_ROM 輸出的數(shù)據(jù)，即 PWM 波形 ROM 的數(shù)據(jù)，首先，步進(jìn)電機(jī) A 相導(dǎo)通， B、 C、 D 相截止， P[31..0]輸出數(shù)據(jù)為 88000000H， A 相的數(shù)據(jù)為 88，其他相的數(shù)據(jù)為 0。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件簡(jiǎn)單，并充分發(fā)揮 VHDL 語(yǔ)言軟件編程靈活方便和 FPGA 快速的特點(diǎn)來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和成本。電機(jī)中的磁場(chǎng)經(jīng)過 16 拍從 A相轉(zhuǎn)到了AB相。 Y[3]、 Y[2]、 Y[1]、 Y[0]分別為四相 步 進(jìn)電機(jī) A、 B、 C、 D相的控制端脈沖信號(hào)。 圖 輸出細(xì)分電流信號(hào)采用 FPGA 中 ROM 查表法，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(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。元件 lpm_rom0 為 PWM 波形 ROM 存儲(chǔ)器，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻細(xì)分電流波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)值存放于波形 ROM中，由于此設(shè)計(jì)的最大細(xì)分?jǐn)?shù)為 256 細(xì)分， lpm_rom0 表總長(zhǎng)為 256x4=1024 個(gè)字節(jié) ，rom0 輸出的 32 位數(shù)據(jù) P[31..0]每八位二進(jìn)制數(shù)控制一相，轉(zhuǎn)換成每 2 位 16進(jìn)制數(shù)據(jù)作為步進(jìn)電機(jī)各相電流的參考值，分別用于控制步進(jìn)電機(jī) A、 B、 C、 D 四相的工作電流。通過對(duì)地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作 /停止?fàn)顟B(tài)。因此，在此研究中，我們選用脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 大多數(shù)都采用數(shù)字控制。一相電流逐漸增大，另一相逐漸減小。當(dāng)通電相的電流不馬上到達(dá)峰值，而斷電相的電流也不立刻降為零時(shí)，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)為上兩相電流共同合成，而產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)新的平衡位置在原步距角的范圍內(nèi)。當(dāng)電機(jī)以四相八拍方式運(yùn)行時(shí)，按 A— AB— B— BC— C— CD— D— D