【正文】 最后詳細(xì)的說明了 VHDL 語言的定義和組成部分。為了模擬實(shí)際情況，有些 VHDL 程序往往有 After xx ns 之類的語句，這類程序可以用來仿真，不過最終實(shí)現(xiàn)到器件中這類語句是被忽略的，因?yàn)榫C合軟件無法根據(jù)實(shí)際的器件來實(shí)現(xiàn)所寫的延遲時(shí)間。編寫 VHDL 程序還要了解一下目標(biāo)器件的結(jié)構(gòu)特征。 Else Rate=” xxxx” ， End If； 此外，要強(qiáng)調(diào)的是 ： VHDL 是硬件描述語言，它雖然看上去象是編寫基于 CPU 來運(yùn)行的軟件編程語言，但實(shí)質(zhì)上是有根本區(qū)別的。由于 VHDL 語言的通用性，它已經(jīng)成為可支持不同層次的設(shè)計(jì)者的不同需求的標(biāo)準(zhǔn)語言。 信號(hào)賦值語句如： With a select B=” 0000” When “ 0” “ 0001” When “ 1” 2,順序語句 3，同步邏輯設(shè)計(jì) 4，進(jìn)程設(shè)計(jì) 所以 在編程 的時(shí)候，程序的執(zhí)行一般是根據(jù)語句的先后，這時(shí)程序的順序顯得尤為重要，但在寫 VHDL 的時(shí)候就有點(diǎn)不同，因?yàn)?VHDL 描述的是一張電路圖，你只要能將各個(gè)模塊描述清楚就行，至于各個(gè)模塊描述的先后順序，常顯得較為自由。實(shí)體說明可以看作電路的符號(hào)來理解，其描述一個(gè)原件和設(shè)計(jì)其余部分的連接關(guān)系。在程序的開頭要按需要調(diào)用不同的庫(kù)，這些庫(kù)的調(diào)用通過 Library語句來實(shí)現(xiàn)。 VHDL 程序的順序問題 一個(gè)完整的 VHDL 設(shè)計(jì)是由實(shí)體說明和構(gòu)造體 組成。例如，可以在多個(gè)獨(dú)立的模塊中同時(shí)進(jìn)行不同方式的數(shù)據(jù)交換和控制信號(hào)傳輸，這種并行工作方式是任何一種基于 CPU 的軟件程序語言所無法描述和實(shí)現(xiàn)的。但是， VHDL 語言作為一種硬件描述語言，需要了解較多的數(shù)字邏輯方面的硬件電路知識(shí)，包括目標(biāo)芯片基本結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)。所以，在編程時(shí)，應(yīng)該時(shí)刻記住自己是在描述電路，應(yīng)對(duì)要綜合的電路有個(gè)概念才能寫出功能正確且 能綜合實(shí)現(xiàn)的 VHDL 程序。具備這種編程技術(shù)的 FPGA 采用反熔絲制造工藝，一旦編程就不可改變，適用于高可靠性低功耗的使用場(chǎng)合。 2， 在線系統(tǒng)可重配置技術(shù) ISR。根據(jù)不同的器件結(jié)構(gòu)，目前常用的下載可分為如下 3 種 1，在線系統(tǒng)可編程技術(shù) 。 ②為了方便用戶設(shè)計(jì)和特殊功能應(yīng)用，向嵌入通用或標(biāo)準(zhǔn)功能模塊方向發(fā)展。在對(duì) FPGA 器件的利用上已發(fā)展到 SOPC（可編程片上系統(tǒng) )階段，即利用處理器內(nèi)核和多種 IP 核來構(gòu)成完整的系統(tǒng)，通常根據(jù) C語言或 MATLAB 來提供的功能描述來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)硬件的生成。當(dāng)用戶通過原理圖平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 或 VHDL(硬件描述語言 )描述了一個(gè)邏輯電路以后， FPGA 開發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入 RAM。這三種可編程單元是 ： 輸入 /輸出模塊 (I/0 Block)， 邏輯單元 (LE)和互連資源，它們的工作狀態(tài)全都由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)設(shè)定。 Xilinx. Altera. Lattice 和 Actel 等公司都提供了高性能的 FPGA芯片。 LE 的功能很強(qiáng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯函數(shù)，還可以配置成 RAM 等復(fù)雜的形式。 I/O 控制 模 塊允許每個(gè) I/O 引腳單獨(dú)被配置為輸入、輸出和雙向工作方式 。宏單元由三個(gè)功能塊組成：邏輯陣列、 乘積項(xiàng)選擇矩陣和可編程寄存器。它采用熔絲工藝編程，只能寫一次，不能擦除和重寫。可編程邏輯器件發(fā)展到今天 出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高密度可編程邏輯器件，包括現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件 (FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)。隨著微電 子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)己不完全由半導(dǎo)體廠商來獨(dú)立承擔(dān)，設(shè)計(jì)師們更希望自己在實(shí)驗(yàn)室就能夠設(shè)計(jì)出合適的專用集成電路芯片，并 且 短期內(nèi)就能夠投入到實(shí)際應(yīng)用中去，因而出現(xiàn)了高密度可編程邏輯器件（ HDPLD），它包括現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件 (Field Programmable Gate Array， FPGA)和 復(fù)雜可編程邏 輯器件 (Complex Programmable Logic Device， CPLD ) 。最終設(shè)計(jì)并調(diào)試通過了基于 FPGA 的正弦波可變細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 (5)通過串行口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，并可對(duì)電流 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 在線調(diào)節(jié)。 該驅(qū)動(dòng)器主要技術(shù)指標(biāo) ： (1)該驅(qū)動(dòng)器將所有的控制功能集成到一片 FPGA 芯片中。 從步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，對(duì)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)均勻旋轉(zhuǎn)的工作機(jī)理進(jìn)行分析，分析在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)用空間電壓矢量控制的思想 。 本文主要工作 本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于 FPGA 的正弦波可變細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，獨(dú)立完成其硬件及軟件的設(shè)計(jì)。 ④ 由于是數(shù)字集成電路，便于用微機(jī)控制 。 (3)采用專用邏輯電路的方法 采用專用邏輯電路來設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)發(fā)生器，即用硬件的方法來實(shí)現(xiàn)，可以在能夠輸出連續(xù)可調(diào)的不同頻率的脈沖信號(hào)的同時(shí)，系統(tǒng)又具有更高的可靠性和 穩(wěn)定 性 。因此，以子程序控制單片機(jī)運(yùn) 行一定數(shù)量周期的空操作即可構(gòu)成定時(shí)器，根據(jù)定時(shí)器令輸出端呈 ON/OFF 動(dòng)作即可產(chǎn)生脈沖。圖中的縱向坐標(biāo)代表了電壓和輸出脈沖頻率的大小，從圖中可以看出，不同的電壓大小可以得出不同頻率的輸出脈沖 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 圖 27 模擬電路實(shí)現(xiàn)原理圖 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 ： 用模擬電路可以比較容易地得到連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)。但是，在實(shí)際上，我們往往需要調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)量，看看是否符合我們的要求。步進(jìn)電機(jī)的總旋轉(zhuǎn)角度與脈沖總數(shù)呈比例電機(jī)的速度與每秒輸入的脈沖數(shù)目成比例。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量決定了步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小和步 距角的大小?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)保留了電磁 鐵的基本特征，各相繞組之間彼此獨(dú)立，繞組之間互感小，其主磁通由永磁體建立，幅值恒定，各相繞組工作時(shí)只是改變主磁通的行進(jìn)路徑。合成的磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力 矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。因此要使可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)較大，就必須能控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組的電流，使按階梯上升或下降，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)。當(dāng)電機(jī)以單四拍方式運(yùn)行時(shí)，夾角為 90 度，當(dāng)電機(jī)以四相八拍運(yùn)行時(shí)，夾角為 45 度。設(shè)矢量 TA ， TB ， TC 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； TAB ， TBC ， TCD ， TDA 為步進(jìn)電機(jī)中 AB， BC， CD， DA 兩相同時(shí)通電產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量。轉(zhuǎn)速與加到步進(jìn)電機(jī)的脈沖 信號(hào)的頻率成正比，簡(jiǎn)言之，主要控制輸入脈沖的數(shù)量，頻率以及電動(dòng)機(jī)的通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 通過以上分析，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)理論己趨于成熟，但目前細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)仍有以下不足 ： (1)使用的器件較多，使調(diào)試復(fù)雜，系統(tǒng)占用空間較大，而且抗干擾能力差。然后經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)修正，最終達(dá)到近似均勻步距。離線計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，求出所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表后存入 EPROM 中。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的研究現(xiàn)狀 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。其基本思想是每次輸入脈沖切 換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，這樣電機(jī)的合成磁勢(shì)也只是旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。 針對(duì)高低壓驅(qū)動(dòng)的缺陷，斬波恒流驅(qū)動(dòng)采用斬波技術(shù)使繞組電流在額定值上下成鋸齒波形波動(dòng)，電流繞組的有效電流相應(yīng)的增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接電阻，取樣電阻又很小，因此整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常小，電源平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 效率較高，因而恒流斬波電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。它的優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、成本低、低頻時(shí)響應(yīng)較好，缺點(diǎn)主要是存在共振區(qū)以及高頻時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的能力迅速下降。細(xì)分運(yùn)行方式存在多種形式，但是三相混合式步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳細(xì)分方式是等步距角、等轉(zhuǎn)矩的均勻細(xì)分運(yùn)行方式。為了減小步距角，單從電機(jī)本體來解決是有限度的，于是設(shè)法將供電的 矩形電流波改為階梯狀的電流波，這樣在輸入電流的每一個(gè)階梯時(shí)，電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角減小，從而大大改變步進(jìn)電機(jī)的低頻特性 。 步距角由電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)確定 ， 一經(jīng)設(shè)計(jì)完成后 ，只能改變脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 從而造成了使用的單一性。由定子繞組產(chǎn)生交變磁通的磁路也在圖 23中表示。因此，這些齒是處在磁阻最大位置上。圖中轉(zhuǎn)子齒數(shù) Nr=50； 定子實(shí)際上僅 40 個(gè)齒，每極 5齒。 這種步進(jìn)電機(jī)通常有多相繞組，類似反應(yīng)式的。當(dāng)定子各相輪流通電完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，磁場(chǎng)沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 360平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 度空間角，轉(zhuǎn)子沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距 磁場(chǎng)速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的速比等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)。很顯然，比起 A相通電時(shí)，即比起上圖所示的位置來，轉(zhuǎn)子沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 1/3 齒距。 B 相繞組的軸線，與 A 相繞組的軸線的夾角為 120 度。一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)它的定子上有三對(duì)磁極，每一對(duì)磁極上繞著一相繞組，繞組通電時(shí)，這兩個(gè)磁極的極性相反繞組接成星形。這使驅(qū)動(dòng)電源線路復(fù)雜化。接著 B端斷開正脈沖，并且電流從 O端流入，A 端流出，磁極 1, 3, 5, 7 分別呈現(xiàn) N, S, N, S 極性，定子磁場(chǎng)軸線又沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng) 45 度 ，轉(zhuǎn)子也同樣轉(zhuǎn)動(dòng) 45度 。 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 轉(zhuǎn)子上安裝永久磁鋼的步進(jìn)電機(jī)叫做永磁式步進(jìn)電機(jī)。 。 ，三相的為 176。從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電機(jī) 。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種新型的驅(qū)動(dòng)器體積小，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，抗干擾，控制能力強(qiáng)，并可以很容易的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的升級(jí)換代，一旦投入使用必將擴(kuò)大步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍，降低步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。 本課題是利用 FPGA 為控制模塊， IR2175 構(gòu)成電流反饋模塊，使用 IR公司的 IPM 模塊作為電源功放級(jí)，構(gòu)成低成本，高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使之可以驅(qū)動(dòng)一些功率稍大一點(diǎn)的混合式步進(jìn)電機(jī)。 但是 ，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況存在許多不足之處，如 低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高 ，嚴(yán)重制約了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 課題研究的目的和意義 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛的一種電動(dòng)機(jī)?；诓竭M(jìn)電機(jī)在應(yīng)用上的諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行部件，已經(jīng)在許多工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。它本身就是一個(gè)完成數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。如果阻尼較小，這種運(yùn)動(dòng)是一個(gè)衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)常用的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 一種離散運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行裝置，與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著內(nèi)在的聯(lián)系，很容易與其它數(shù)字器件進(jìn)行接口； 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 (2) 位置誤差無積累； (3) 位置采用開環(huán)方式控制，不需要位置反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； (4) 采用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，除停轉(zhuǎn)期間消耗電能少外，還具有記憶功能，可以在停電時(shí) 將轉(zhuǎn)子鎖定在特定的位置上； (5) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速； (6) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，設(shè)計(jì)容易。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上，而必須使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？梢哉f步進(jìn)電動(dòng)機(jī)天生就是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置 ， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過外加控制脈沖，并按環(huán)形分配器決定的分配方式 ，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng) .就是說給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度或者前進(jìn)一步，其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個(gè) 數(shù)、頻率有著嚴(yán)格的比例關(guān)系。 Adjustable Subdivision。s measure module and PWM model are optimized, which can reach 170MHz performance in a FPGA chip whose System performance is up to 150 MHz. These two modules improve the chip39。 經(jīng)測(cè)試表明，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有調(diào)試方便，抗干擾能力較強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)了電流測(cè)量模塊和 PWM 模塊等關(guān)鍵性模塊，使這兩個(gè)模塊在最高工作頻率為 150MHZ 的 FPGA 芯片中達(dá)到了超過 170MHz 的性能，提高了芯片的對(duì) 輸入輸出信號(hào)的控制能力。本文設(shè)計(jì)了一種基于 FPGA 的正弦波可變細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可有效地解決這個(gè)問題。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘 要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部