【正文】 口下載電纜是一種直接連接到 PC 機 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 器件系列永遠地改變了整個 FPGA 行業(yè)，帶給市場第一也是唯一的以最低成本為基礎(chǔ)而設(shè)計的 FPGA 系列產(chǎn)品。步進電機的驅(qū)動電路圖如圖 。 ULN2020 是高壓大電流達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、帶負載能力強等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(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 作為步進電機的主控制器，步進電機驅(qū)動電路選用 L298 驅(qū)動的驅(qū)動電路。系統(tǒng)由 FPGA控制器、 L298驅(qū)動電路、步進電機組成，能夠步進電機的細分驅(qū)動控制。這是一個高度集成化的單片控制系統(tǒng)，最終可實現(xiàn)電機控制電源的模塊化。 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，工作時需要對片內(nèi)的 RAM 進行編程。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 個可利用門，發(fā)展到 90 年代的 25 萬個可利用門，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，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制?？刂葡到y(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(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，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(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 平臺下和單片機配合控制步進電機 。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制， 數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，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。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經(jīng)濟領(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)點的步進電機就是一個重要角色，比如在數(shù)控技術(shù)中。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，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。我國數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單板機或單片機為數(shù)控核心，以步進電機為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，只需一萬元左右就可以裝 備一臺經(jīng)濟型數(shù)控機床，很適合我國中小型企業(yè)使用?；?于微型單片機的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。 （ 2）基于單片機控制 采用單片機來控制步進電機，實現(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)上用的計算機。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。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，直接用于步進電機控制，具有較高地性價比，并可驅(qū)動多個步進電機。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，只需 換一片 EPROM即可。我們可以利用其他廉價的微控制器和 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。 如何實現(xiàn)快速的時序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時鐘管理并降低 FPGA與 PCB 并行設(shè)計的復(fù)雜性等問題，一直是采用 FPGA 的系統(tǒng)設(shè)計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；包括步進電機設(shè)計，頂層原 理圖的設(shè)計， PWM 控制模塊的設(shè)計和仿真結(jié)果。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運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)計說明書 第 9 頁 共 32 頁 現(xiàn)在比較常用的步進電機分為三種：反應(yīng)式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（ PM）、混合式步進電機（ HB）。 3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。一般的驅(qū)動電路可以用分立的達林頓驅(qū)動電路實現(xiàn)，如圖。 L298 芯片是具有 15 個引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。它具有 8000 多個邏輯單元、 208 個引腳、120多個 I/O接口、 18個 乘法器模塊和 2個鎖相環(huán)還有專門，還有是一個集成度較高的 FPGA 芯片。這種工藝技術(shù)確保了快速有效性和低成本。而被動配置則由外部計算機或控制器控制配置過程。 FPGA 通過它產(chǎn)生一個時鐘信號，作為中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 32 頁 總的系統(tǒng)時鐘來控制每個動作的時間及其快慢。 3 基于 FPGA 的步進電機細分控制 基于 FPGA 的設(shè)計方法 自頂向下的設(shè)計方法 傳統(tǒng)的電子設(shè)計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)計說明書 第 16 頁 共 32 頁 計方法，是 CPLD 開發(fā)的主要設(shè)計手段。因此，在設(shè)計周期中，要根據(jù)仿真的結(jié)果進行優(yōu)化和升級，以及對模型及時的修改，以改進系統(tǒng)或子系統(tǒng)的功能，更正設(shè)計錯誤，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)計說明書轉(zhuǎn)化為 VHDL 行為模型。 (5)前端功能仿真。對 ASIC 的測試向量文件是綜合器結(jié)合含有版圖硬件特性的工藝庫后產(chǎn)生的，用于對 ASIC 的功能測試。這是對最后完成的硬件系統(tǒng) (如 AsIC 或 CPLD)進行檢查和測試。 EDA 工具之所以能夠完成各種自動設(shè)計過程，關(guān)鍵是有各類庫的支持 EDA 技術(shù)中最為矚目的功能，即最具現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)特征的功能是日益強大的邏輯仿真測試技術(shù)。 （ 1）設(shè)計輸入 (原理圖 /HDL 文本編輯 ) 通常使用 EDA 工具的設(shè)計輸入可分為兩種類型 :圖形輸入與硬件描述語言文本輸入。 然而，由于圖形設(shè)計方式并沒有得到標(biāo)準(zhǔn)化，不同的 EDA 軟件中的圖形處理工具對圖形的設(shè)計規(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）時序仿真與功能仿真 在編程下載前必須利用 EDA工具對適配生成的結(jié)果進行模擬測試，就是所謂的仿真。 1975 年美國學(xué)者 首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法。 設(shè)矢量 TA、 TB、 TC、 TD為步進電機 A、 B、 C、 D 四相勵磁繞組分別通電時產(chǎn)生的磁場矢量 。若四相步進電機按 A— B— C— D— A的順序輪流通電，即整步工作，磁場分四拍旋轉(zhuǎn)，每次電 流換向，步進電機將前進整步距角的 1/4， M? =90176。因此要使可達到的細分 數(shù)較大，就必須能控制步進電機各相勵磁繞組中的電流，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穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的磁場矢量幅值也就存在多個中間狀態(tài)，這樣，相鄰兩相或多相的合成磁場的方向也將有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)。圖 。這種細分驅(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分數(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)計說明書 第 26 頁 共 32 頁 開關(guān)型步進電機細分驅(qū)動電路中的末級功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問題。由于電機繞組是一個感性負載，對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 256 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)計如圖 所示。改變 ROM 中的數(shù)據(jù)，就可以改變一個計數(shù)周期中高低電平的比例，從而改變輸出信號的占空比，當(dāng)電流增加時，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，各中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 32 頁 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)律進行地址選擇即可實現(xiàn)不同的細分。 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，步進電機 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)計過程中，力求硬件簡單，并充分發(fā)揮 VHDL 語言軟件編程靈活方便和 FPGA 快速的特點來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，同時大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間和成本。電機中的磁場經(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 進電機 A、 B、 C、 D相的控制端脈沖信號。 圖 輸出細分電流信號采用 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)，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分。元件 lpm_rom0 為 PWM 波形 ROM 存儲器，根據(jù)步進電機細分電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應(yīng)的數(shù)值存放于波形 ROM中，由于此設(shè)計的最大細分數(shù)為 256 細分， lpm_rom0 表總長為 256x4=1024 個字節(jié) ，rom0 輸出的 32 位數(shù)據(jù) P[31..0]每八位二進制數(shù)控制一相，轉(zhuǎn)換成每 2 位 16進制數(shù)據(jù)作為步進電機各相電流的參考值，分別用于控制步進電機 A、 B、 C、 D 四相的工作電流。通過對地址計數(shù)器進行控制，可以改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動速度、工作 /停止?fàn)顟B(tài)。因此，在此研究中，我們選用脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路。因此該驅(qū)動電路一般用于輸出力矩較大的步進電機的驅(qū)動。步進電機細分驅(qū)動電路 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峰值，而斷電相的電流也不立刻降為零時，電機內(nèi)部磁場為上兩相電流共同合成，而產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置在原步距角的范圍內(nèi)。當(dāng)電機以四相八拍方式運行時，按 A— AB— B— BC— C— CD— D— D