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)-文庫(kù)吧資料
2025-06-24 15:43本頁(yè)面
【正文】 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(lái)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。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。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。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。 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。 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。 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。從A到AB到B共經(jīng)過(guò)了8拍，實(shí)現(xiàn)了步距角的8級(jí)細(xì)分。電機(jī)中的磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)4拍，從A相轉(zhuǎn)到了AB相。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。PWM輸出電流的平均值與旋轉(zhuǎn)角度成正比。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。程序見(jiàn)附錄6 圖8 計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器 PWM波形ROM表是通過(guò)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。程序見(jiàn)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。 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。計(jì)數(shù)器的VHDL語(yǔ)言程序見(jiàn)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(xún)ROM表。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。輸出細(xì)分電流信號(hào)采用FPGA中ROM查表法，它是通過(guò)在不同地址單元內(nèi)寫(xiě)入不同的PWM數(shù)據(jù)，用地址選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。CNT8是十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，構(gòu)成PWM計(jì)數(shù)器，將整個(gè)PWM周期分成4等份，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時(shí)加載到四相步進(jìn)電機(jī)各相數(shù)字比較器的一端；CNT32是三十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成ROM地址發(fā)生器，計(jì)數(shù)器的u_d為方向控制，EN為使能控制，clk_d為速度控制，可以通過(guò)u_d、EN和clk_d控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、工作/停止和旋轉(zhuǎn)速度；s為模式選擇控制，可以選擇正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式或者是細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式。為此，要在設(shè)計(jì)中提高LPM_ROM的數(shù)據(jù)精度，將數(shù)據(jù)提高到16位，使輸出的步進(jìn)細(xì)分電流近似為正弦電流，這樣不僅提高了步距精度，而且可以改善低頻震蕩。步進(jìn)電機(jī)的電流矩角特性并非線性函數(shù)，而是近似于正弦函數(shù)。磁場(chǎng)的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復(fù)是導(dǎo)致微步距周期性變化的原因。如果改變ROM中的數(shù)據(jù)，就可以改變一個(gè)技術(shù)周期中高低電平的比例。PWM信號(hào)隨ROM數(shù)據(jù)而變化，改變ROM中的數(shù)據(jù)就可以改變輸出信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)限流及細(xì)分控制，最終使電機(jī)繞組電流呈現(xiàn)階梯形變化，從而達(dá)到步距細(xì)分的目的。根據(jù)圖1步進(jìn)電機(jī)八細(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，波形ROM的地址由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，地址計(jì)數(shù)器有3個(gè)控制端，可用于改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作/停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于波形ROM輸出數(shù)值時(shí)，比較器輸出高電平；而當(dāng)大于波形ROM輸出值時(shí)，比較器輸出低電平。步距細(xì)分電路是由PWM計(jì)數(shù)器、ROM地址發(fā)生器、PWM波形存儲(chǔ)器、比較器、功放電路所組成。也可以說(shuō)，步距角的細(xì)分就是電機(jī)繞組電流的細(xì)分，從而可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)平滑運(yùn)行。一相電流逐漸增大，另一相逐漸減小。Altera在Quartus II 中包含了許多諸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的設(shè)計(jì)輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設(shè)計(jì)流程，并且繼承了Maxplus II 友好的圖形界面及簡(jiǎn)便的使用方法。Maxplus II 作為Altera的上一代PLD設(shè)計(jì)軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段使用熟悉的第三放EDA工具。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。三、Quartus II概述Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD開(kāi)發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。B相 A相 C相 D相 C相 圖 1 三相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分各相電流狀態(tài)圖改變步進(jìn)電機(jī)相電流通常采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即同時(shí)改變兩相電流iA和iB的大小，使電流合成矢量等幅均勻旋轉(zhuǎn)。與單四拍方式相比，α值從2增加到8，步距角θb為單四拍運(yùn)行方式時(shí)的1/8。所以要想增大α，必須使繞組中的電流按階梯上升和下降，即在零與最大相電流之間有多個(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)。如對(duì)于四相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，單四拍或雙四拍運(yùn)行時(shí)，α = l ；當(dāng)電機(jī)以四相八拍運(yùn)行
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