基于fpga的步進(jìn)電機(jī)的pwm控制細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)
2025-07-15 15:43 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。從ROM輸出的數(shù)據(jù)加在比較器的“a”端，PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值加在比較器的“b”端，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于ROM數(shù)據(jù)時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)計(jì)數(shù)值大于ROM數(shù)據(jù)時(shí)，比較器則輸出低電平。如果改變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。圖3 步進(jìn)電機(jī)PWM控制電路下面具體來闡述一下各個(gè)元件的設(shè)計(jì)：圖5為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的RTL圖，通過不斷輸出十六進(jìn)制數(shù)與ROM中的數(shù)據(jù)作比較。計(jì)數(shù)器的VHDL語言程序見附錄2. 圖4 十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器 圖6為三十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器RTL圖，可以輸出五位二進(jìn)制的地址，以便可以查詢ROM表。程序見附錄3。 圖5 三十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖六為四個(gè)比較器的RTL圖，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于ROM數(shù)據(jù)時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)計(jì)數(shù)值大于ROM數(shù)據(jù)時(shí)，比較器則輸出低電平。比較器的輸出為步進(jìn)的四相輸入端提供PWM波形，從而達(dá)到PWM控制。程序見附錄4 圖6 比較器圖7為多路選擇器，利用s端可以選擇控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，s=0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)為PWM控制，s=1是步進(jìn)電機(jī)的普通運(yùn)轉(zhuǎn)方式。程序見附錄5. 圖7 多路選擇器圖9的功能是從三十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端引入數(shù)據(jù)并把它轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)的普通四相驅(qū)動(dòng)方式。程序見附錄6 圖8 計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器 PWM波形ROM表是通過Quartus II中的宏功能模塊定制而成，利用FPGA中的嵌入式EAB構(gòu)成LPMROM，存放步進(jìn)電機(jī)各相細(xì)分電流所需的PWM控制波形數(shù)據(jù)表。ROM數(shù)據(jù)和程序見附錄7和附錄8.六、仿真與測(cè)試結(jié)果分析圖9是四相步進(jìn)電機(jī)PWM仿真波形圖，圖中展示了FPGA控制步進(jìn)電機(jī)的情況。ROM輸出的16位數(shù)據(jù)q[15..0]，作為步進(jìn)電機(jī)各相電流的參考值，每4位二進(jìn)制（l位八進(jìn)制）數(shù)值控制一個(gè)相，分別用于控制步進(jìn)電機(jī)A、B、C，D四相的工作電流。對(duì)于每一相來說，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為0時(shí)，該相電流為0；輸出數(shù)據(jù)為1時(shí)，脈寬高電平占一個(gè)PWM周期的1 / 4； 當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為2時(shí)，脈寬高電平占一個(gè)PWM周期的2/4；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為4時(shí)，整個(gè)PWM周期均輸出高電平。PWM輸出電流的平均值與旋轉(zhuǎn)角度成正比。圖9中也給出了步進(jìn)電機(jī)從AABBBCCCDDDA四相八拍工作過程的仿真波形。首先，步進(jìn)電機(jī)A相導(dǎo)通，B、C、D相截止，q[15..0]輸出數(shù)據(jù)為F000；A相的數(shù)據(jù)為F，其他相的數(shù)據(jù)為0。然后逐漸過度到AB相導(dǎo)通，q[16..0]輸出數(shù)據(jù)為F600F900FC00FF00, B相的數(shù)據(jù)逐漸增大，從1增大到4。電機(jī)中的磁場(chǎng)經(jīng)過4拍，從A相轉(zhuǎn)到了AB相。再經(jīng)過4拍，從AB相轉(zhuǎn)到B相；q[15..0]輸出數(shù)據(jù)為CF009F006F000F00, A相的數(shù)據(jù)逐漸減小，從4變?yōu)?。從A到AB到B共經(jīng)過了8拍，實(shí)現(xiàn)了步距角的8級(jí)細(xì)分。此外由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載，對(duì)輸出的PWM電流具有平滑濾波作用，對(duì)電機(jī)線圈起作用的是PWM的平均電流，因此在效果上將圖中的細(xì)小毛刺電流濾除。 圖9 仿真波形1圖10是在clk_d的頻率比較高的情況下的仿真圖。和圖9比較可以看出，clk_d的頻率越大，PWM波形比較密集，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，即clk_d是速度控制信號(hào)。 圖10 仿真波形2圖11和圖9對(duì)比，可以看出，當(dāng)u_d為高電平時(shí)，ROM表中輸出的數(shù)據(jù)和圖9順序相反，輸出的PWM波形也和圖9相反。因此，步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)從D→DC→C→BC→B→AB→A→DA,電機(jī)反轉(zhuǎn)。 圖11 仿真波形3圖12是在s為高電平時(shí)的仿真圖，當(dāng)s=1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)為單四拍常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，內(nèi)部磁場(chǎng)從AB→BC→CD→DA。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，要是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分后獲得均勻的步進(jìn)轉(zhuǎn)角，其PWM驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)近似于正弦電流，而非線性遞增的電流，因此ROM文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)選擇，使每一步的電流增加量近似正弦波，并根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)角做了適當(dāng)調(diào)整。由于PWM的輸入時(shí)鐘頻率較高，因此可以獲得均勻的平均電流，并且每一步的時(shí)間間隔相等，轉(zhuǎn)角近似均勻。七、結(jié)論 通過利用FPGA中嵌入式EAB構(gòu)成的LPMROM存放電機(jī)轉(zhuǎn)角細(xì)分電流所需的數(shù)據(jù)表，由數(shù)字比較器同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，對(duì)多相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行均勻細(xì)分,有效地控制步進(jìn)電機(jī)。若提高波形表數(shù)據(jù)的位數(shù)，增加計(jì)數(shù)器和比較器的位數(shù)，就可以提高PWM波形的細(xì)分精度，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)角進(jìn)行任意細(xì)分，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)轉(zhuǎn)角的精確控制。此實(shí)現(xiàn)方法比目前單片機(jī)加D/A的控制方案更加高效。試驗(yàn)證明，此系統(tǒng)功能滿足設(shè)計(jì)要求，控制靈活，集成度高。驅(qū)動(dòng)器在減少體積、降低開發(fā)成本的同時(shí)，又增加了穩(wěn)定性和可靠性，具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)驅(qū)動(dòng)特性，有效地提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行效果。 參考文獻(xiàn)[1] 李華德等，：電子工業(yè)出版社，:2227[2] 潘松等,EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京: 科學(xué)出版社2005[3] 雷凱等,步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)中繞組電流的修正[J].:3840[4] 楊忠寶，林海波,基于80C196MC的步進(jìn)電機(jī)斬波恒流均勻細(xì)分電路的實(shí)現(xiàn)[J].：5152[5] 袁麗肖，王健等,直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制方法的研究[J].微電機(jī) （9）：2629[6] 翁良科， HDL描述的多用途步進(jìn)電機(jī)控制芯片的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002[7][D].浙江：[8]，2003 注 釋PWM技術(shù)： 脈寬調(diào)制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼?！ WM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)
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