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基于fpga的步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制器的設(shè)計-展示頁

2024-11-19 08:41本頁面
  

【正文】 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC電路的中試樣片 ; ( 3). FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O引腳 ; ( 4). FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一 ; ( 5). FPGA 采用高速 CHMOS 工藝,功耗低,可以與 CMOS、 TTL 電平兼容 。 FPGA 器件的種類很多,按基本結(jié)構(gòu) 來分包括在 PAL 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)展的 EPLD, CPLD 和標(biāo)準(zhǔn)門陣列邏輯單元型的 FPGA 器件。 第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件( FPGA)至今, FPGA 已經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展歷史。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)電機控制,具有較高地性價比,并可驅(qū)動多個步進(jìn)電機。由于采用 CPLD/FPGA,極大減少了分立元件的使用,除了少數(shù)接口電路以外,大多數(shù)邏輯均在片內(nèi) 實現(xiàn)。并且在速度較高時,由于受到掃描周期的影響,相應(yīng)的控制精度就降低了。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機的環(huán)型脈沖信號,并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號,這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機驅(qū)動器,降低硬件成本。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。 PLC控制的步進(jìn)電機可以采用軟件環(huán)形分配器,也可采用硬件環(huán)形分配器。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖,控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機構(gòu)的進(jìn)給量,同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動速度,進(jìn)而控制伺服機構(gòu)的進(jìn)給速度。步進(jìn)電機控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。 ( 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。(2)用軟件代替環(huán)形分配器,通過對單片機的設(shè)定,用同一種電路實現(xiàn)了多相步進(jìn)電機的控制和驅(qū)動,大大提高了接口電路的靈活性和通用性困 。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn),采用軟 件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配因。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進(jìn)電機各相驅(qū)動線路。 ( 2)基于單片機控制 采用單片機來控制步進(jìn)電機,實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度,然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈,使步進(jìn)電機每一步響應(yīng)控制信號的命令,從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。開環(huán)時,其平穩(wěn)性好,成本低,設(shè)計簡單,但未能實現(xiàn)高精度細(xì)分。這個系統(tǒng)由三部分組成 :脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。步進(jìn)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(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)。 ( 1)基于電子電路控制 步進(jìn)電機受電脈沖信號控制,電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。PLC 控制的脈沖驅(qū)動方案等等 。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求,出現(xiàn)的步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動技術(shù),就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式,除上述三種步進(jìn)電機的驅(qū)動方案之外,目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語或 C 語一言進(jìn)行軟件開發(fā),在 windows 平臺下利用 VISua1C++ 提供的串行通信控件 MSColnln 來實現(xiàn) PC 機與步進(jìn)電機控制器之間的數(shù)據(jù)通訊,最終實現(xiàn)由 pC機直接控制步電機的方法 ?;?于微型單片機的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機,能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機的潛力。上世紀(jì) 80 年代以后,由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電動機的控制方式變得更加靈活多樣。因而,對于步進(jìn)電機控制的研究也就顯得重要了。 除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展,使步進(jìn)電機的控制發(fā)生了革命性變革。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(jìn)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(jì)型數(shù)控機床,很適合我國中小型企業(yè)使用。其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了“五軸聯(lián)動”,為“神州”系列飛船順列升空立下了汗馬功勞。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。 正是由于步進(jìn)電機具有突出的優(yōu)點,所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)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(fù)載變化的影響,同時步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差,精度高。就是說給一個電脈沖信號,電動機就轉(zhuǎn)過一個角度或者前進(jìn)一步,其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個數(shù)、頻率 有著嚴(yán)格的比例關(guān)系。 步進(jìn)電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機,國外一般稱為 Steppingmotor、Pu1Semotor 或 stepperServO,其應(yīng)用發(fā)展己有約 80 年的歷史。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 1 頁 共 32 頁 1 緒論 課題研究背景及意義 歷史證明,一個國家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國家的實力,國家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進(jìn)的制造業(yè),所以大多數(shù)國家都非常重視大力展制造業(yè),二戰(zhàn)后,計算機控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動化技術(shù)有了迅速的發(fā)展,并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用,先后出現(xiàn)了數(shù)控 (NC)、計算機數(shù)控 (CNC)、柔性制造單元 (FMC)、柔性制造系統(tǒng) (FMS)、計算機輔助設(shè)計與制造 (CAD/CAM)、計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)等多項先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式,推著世界制造業(yè)進(jìn)入一個嶄 新的階段川。而在這些技術(shù)環(huán)節(jié)中,具有很多優(yōu)點的步進(jìn)電機就是一個重要角色,比如在數(shù)控技術(shù)中??梢哉f步進(jìn)動機天生就是一種離散運動的裝置,是純粹的數(shù)字控制電動機,步進(jìn)電機驅(qū)動器通過外加控制脈沖,控制步進(jìn)電動機各相繞組的導(dǎo)通或截止,從而使電動機產(chǎn)生步進(jìn)運動。這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件等的變化而變化。步進(jìn)電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等,這是步進(jìn)電動機最突出的優(yōu)點。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機的需求量與日俱增, 在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù),我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展,我國己經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達(dá)國家相比,我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低,但已中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 32 頁 經(jīng)在我國占有非常重要的地位,并起了很大的作用。采用步進(jìn)電機作為伺服執(zhí)行元件,不僅可以應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控伺服系統(tǒng),而且也可以輔以先進(jìn)的檢測和反饋元件,組成高精度全閉環(huán)數(shù)控系列,從而達(dá)到很高的加工精度。優(yōu)點明顯的步進(jìn)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(jìn)電機也在軍用儀器,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。 為了得到良好的控制性能,對步進(jìn)電機的控制的研究就一直沒有停止過,許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。原來的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路,或者集成電路,不僅調(diào)試安裝復(fù)雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路,不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級。因此,用微型單片機控制步進(jìn)電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢,也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。在 windows 平臺下和單片機配合控制步進(jìn)電機 。 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 3 頁 共 32 頁 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在步進(jìn)電機的發(fā)展過程中,出現(xiàn)了多種控制方案。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱,因此必須有功率放大驅(qū)動電路。此種控制電 路設(shè)計簡單,功能強大,可實現(xiàn)一般步進(jìn)電機的細(xì)分任務(wù)。 此種方案即可為開環(huán)控制,也可閉環(huán)控制。采用閉環(huán)控制,即能實現(xiàn)高精度細(xì)分,實現(xiàn)無級調(diào)速。 該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù),功能相對較單一,如需改變控制方案,必須需重新設(shè)計,因此靈活性不高。用軟件代替環(huán)形分配器,達(dá)到了對步進(jìn)電機的最佳控制。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(jìn)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(jìn)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)。 本方案有以下優(yōu)點 (1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制,避免了失步、振蕩等對控制精度的影響 。(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合,大大提高系統(tǒng)的交互性。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器,由于具有通用性好、實用性強、硬件配 套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多,特別是步進(jìn) 電機繞組相數(shù)大于 4 時,對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。步進(jìn)電機功率驅(qū)動電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大,達(dá)到比較大的驅(qū)動能力,來驅(qū)動步進(jìn)電機。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)電機不能在高頻下工作,無法實現(xiàn)高速控制。 ( 4)基于 FPGA 的控制 2020 年有人利用 Xilinx 公司生產(chǎn)的 CPLD 器件 XC9536 為核心來產(chǎn)生電機繞組參考電流,實現(xiàn)了具有繞組電流補償功能的兩相混合式步進(jìn)電機 10 細(xì)分和 50細(xì)分運行方式,獲得了良好的系統(tǒng)運行效果,并顯著提高了兩相混合式步進(jìn)電機的分辨率,減少震動,并增加電機運行時的穩(wěn)定性川。 傳統(tǒng)用單片機控制步進(jìn)電機雖然成本低廉,然而若在驅(qū)動多個步進(jìn)電機的情況下,由于單片機的內(nèi)部產(chǎn)生脈沖的端口或者計算器有限,我們必然需要多個單片機,這時就涉及到多個單片機之間的傳輸協(xié)議和步進(jìn)電機的運行配合等問題,另外,成本也隨之上升。 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 5 頁 共 32 頁 FGPA 的原理及其發(fā)展 現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA( Field Programmable Gate Array) 器件是 Xilinx 公司1985 年首家 推出的,它是一種新型的高密度 PLD,采用 CMOSSRAM 工藝制作。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 。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA( Logic Cell Array)這樣一個新概念,內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB( Configurable Logic Block) 、輸出輸入模塊 IOB( Input Output Block)和內(nèi)部連線( Interconnect)三個部分。 可以說, FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。而且 Altera Cyclone 系列 FPGA 從根本上針對低成本進(jìn)行設(shè) 計 。 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(jìn)行編程。 加電時, FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM中,配置完成后, FPGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。 FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器,只須用中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 32 頁 通用的 EPRO
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