【正文】 向下設計方法，因而能順應 EDA 技術發(fā)展的趨勢，解決現(xiàn)代電子設計應用出現(xiàn)的各類問題。一般先按電子系統(tǒng)的具體功能要求進行劃分，然 后對每個子模塊畫出真值表，用卡諾圖進行手工邏輯簡化寫出布爾表達式，畫出相應的邏輯線路圖，再據此選擇元器件，設計電路板，最后進行測試與調試。由于無法進行硬件系統(tǒng)功能仿真，如果某一過程存在錯誤，查找和修改十分不方便。 相比之下， EDA 技術有很大不同 : 用 HDL 對數(shù)字電子系統(tǒng)進行抽象的行為與功能描述到具體的內部線路結構描述，從而可以在電子設計的 各個階段、各個層次進行計算機模擬驗證，保證過程的正確性，可以大大降低設計成本，縮短設計周期。 基于 EDA技術的設計用 HDL表達的成功的專用功能設計在實現(xiàn)目標有很大的可選性，它既可以用不同來源的通用 FPGA 實現(xiàn)，設計者擁有完全的自主權，再無受中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 32 頁 制于人之虞。 EDA 不 但在整個設計流程上充分利用計算機的自動設計能力，在各個設計層次上利用計算機完成不同內容的仿真模擬，而且在系統(tǒng)板設計結束后仍可利用計算機對硬件系統(tǒng)進行完成的測試。一個完整的、典型的 EDA 設計流程是自頂向下設計方法的具體實施途徑，也是 EDA工具軟件本身的組成結構。以下將分別介紹各設計模塊的功能特點。 圖形輸入通常包括原理圖輸入，狀態(tài)輸入和波形圖輸入等方法。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 32 頁 圖 波形圖輸入方法則是將待設計的電路看成是一個黑盒子，只需告訴 EDA 工具黑盒子電路 的輸入和輸出時序波形圖， EDA 工具即能據此完成黑盒子電路的設計。原理圖由邏輯器件 (符號 )和連接線構成，圖中的邏輯器件可以是 EDA 軟件庫中預制的功能模塊，如與門、非門、或門、觸發(fā)器以及各種含 74 系列器件功能的宏功能塊，甚至還有一些類似于 IP 的功能塊。用原理圖輸入方法有點是顯而易見的， 設計者進行電子線路設計不需要增加新的諸如 HDL 等相關知識，適用于較小的電路模型，設計者易于把握電路全局。 HDL 文本輸入 這種方式與傳統(tǒng)的計算機軟件語言編輯輸入基本一致，就是將使用了某種硬件中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 32 頁 描述語言 (HDL)的電路設計文本，如 VHDL 或 Verilog 的源程序，進行編輯輸入。 （ 2）綜合 一般地，綜合是僅對應于 HDL 而言的。綜合就是將電路的高級語言 (如行為描述 )轉換為低級，可以與 FPG 刀 CPLD 的基本結構映射的網表文件或程序。 圖 （ 3）布局布線 (適配 ) 適配器也稱為結構綜合器，它的功能是將綜合器產生的網表文件配置于指定的目標器件 中，使之產生最終的下載文件。 時序仿真 :就是接近真實器件運行特征的仿真，仿真文件中己包含了器件硬件特征性參數(shù)，因而，仿真精度高。 （ 5）編程下載 把適配后生成的下載或配置文件，通過編程器或編程電纜向 FPGA 或 CPLD 進行下載，以便進行硬件調試和驗證四。 FPGA 技術在步進電機細分驅動中的應用 步進電機作為一種電脈沖一角位移的轉換元件，它受脈沖信號控制，其位移與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比的關系，它包括脈沖分配器和功率放大器兩部分，如圖。 圖 步進電機細分驅動技術是 20 世紀 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動控制技術 。在其后的二十多年里，步進電機細分驅動技術得到了很大的發(fā)展，并在實踐中得到廣泛的應用。 采用 FPGA 控制步進電機，利用其中的 EAB 可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據表和利用 FPGA 設計的數(shù)字比較器可以同步產生多路 PWM 電流波形，對多相步進電機進行靈活的控制。用 FPGA 實現(xiàn)多路 PWM 控制，無須外接 D/A 轉換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好。 步進電機細分驅動原理 步進電機的驅動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流，實現(xiàn)步進電機內部磁場合成方向的變化來使步進電機轉動的。 TAB、 TBC、 TCD、 TDA為步進電機中 AB、 BC、 CD、 DA 兩相同時通電產生的合成磁場矢量。一般地，當步進電機的內部磁場變化一周 (360176。 M? 與電機的相數(shù) (M)和電機的運行拍數(shù)有關。如果半步工作狀態(tài)下每拍前進的角度超過控制精度要求，則需要對步距角進行更進一步的細分。 。和單四拍方式相比， M? 和 B? 都減小了一倍，實現(xiàn)了步距角的二細分。但是在通常的步進電機驅動線路中，由于通過各相繞組的電流是個開關量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應的各相繞組產生的中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 32 頁 磁場也是一個開關量，只能通過各相的通電組合來減小 M? 和 B? 。以四相反應式步進電機為例，最多只能實現(xiàn)二細分，對于相數(shù)較多的步進電機可達到的細分數(shù)稍大一些，但也很有限。 我們知道，電磁力的大小跟繞組通電電流的大小是相關的。也就是說，如果繞組電流的波形不再是一個近似方波，而是分成 N 個階梯的近似階梯波，則電流每升或者降一個階梯時，轉子轉動一小步。步進電機步距角細分是通過改變步進電機相電流的方法來實現(xiàn)的。iA和 iB的變化曲線可描述為 co sco sAmBmi I xi I x?? ② 四相步進電機八細分時的各相電流是以 1/4 的步距上升或下降 的，在兩相 TA、TB 中間又插入了七個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，原來一步所轉過的角度 M? 將由八步完成，實現(xiàn)了步距角的八細分。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 32 頁 圖 從圖 ，一般情況下總有二相繞組同時通電。對應于一個步距角，電流可以變化 N個臺階，也就是電機位置可以細分為 N個小角度，這就是電機的一個步距角被 N細分的工作原理。由此可見，步 進電機細分驅動的關鍵在于細分步進電機各相勵磁繞組中的電流。最初對電機相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，每一繞組的相電流用 n個晶體管構成 n個并聯(lián)回路來控制，靠晶體管導通數(shù)的組合來控制相電流。 隨著大規(guī)模集成電路 FPGA/CPLD 的發(fā)展，為步進電機的細分驅動帶來了便利。根據要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流值，存儲在 FPGA 的嵌入式 ROM 中，根據不同的地址輸出相應的數(shù)據，輸出到 D/A 中，由 D/A 把數(shù)字量轉換為相應的模擬電壓，并加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，實現(xiàn)步進電機的細分。放大型步進電機細分驅動電路中末級功放管的輸出電流直接受 D/A 輸出的控制電壓控制，電路較簡單，電流的控制精度也較高，但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重， 容易引起晶體管的溫漂，影響驅動電路的性能。因此該驅動電路一般應用于驅動電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場合。但電路較復雜，輸出的電流有一定的波紋。隨著大輸出力矩步進電機的發(fā)展，開關型細分驅動電路近年來得到長足的發(fā)展。斬波式細分驅動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測，和 D/A輸出的控制電壓進行比較，若檢測出的電流值大于控制電壓，電路將功放管截止，反之，使功放管導通。 脈寬調制式 (PWM)細分驅動電路是把 D/A 輸出的控制電壓加在脈寬調制電路的輸入端，脈寬調制電路將輸一入的控制電壓轉換成相應脈沖寬度的矩形波，通過對功放管通斷時間的控制，改變輸出到電機繞組上的平均電流。 和斬波式細分驅動電路相比，脈寬調制式細分驅動電路的控制精度高，工作頻率穩(wěn)定，它的作用是將給定的電壓信號調值制成接近連續(xù)的信號，角速度的波動也隨著細分數(shù)的增大而減小，一般角速度波動與步距角成正比，與細分數(shù)成反比。 4 系統(tǒng)設計及仿真結果 步進電機設計 根據所述步進電機細分驅動原理，選擇采用 PWM 脈寬調制式細分驅動，根據細分精度的要求，決定所需要的最佳細分電流 波形，設計步距細分的系統(tǒng)構成。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 32 頁 圖 該系統(tǒng)是由 PWM 計數(shù)器、 ROM 地址計數(shù)器、 PWM 波形 ROM 存儲器、比較器、功放電路等組成。當 PWM計數(shù)器的計數(shù)值小于波形 ROM 輸出數(shù)值時，比較器輸出高電平。根據步進電機細 分電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應的數(shù)值存放于波形 ROM 中，波形 ROM的地址由地址計數(shù)器產生。 FPGA 產生的 PWM信號控制各功率管驅動電路的導通和關斷，其中 PWM信號隨 ROM數(shù)據而變化，改變輸出信號的占空比，達到限流及細分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)了步距細分的目的。 DIR0， DIR1 為方向控制信號端，為‘ 1’時電機正轉，為‘ 0’時電機反轉。 如要實現(xiàn) 3 臺及三臺以上步進電機，可以多次調用模塊，并將 CS 設定為 2 位或 2 位以上的 2進制以達到控制多臺步進電機的作用。此步進電機 PWM 控制電路原理圖是根據步進電機細分驅動結構圖設計的。元件 CNT1024 為元件 lpm_rom0 的地址計數(shù)器，是一個可加 /減計數(shù)器，計數(shù)范圍為 0~1024 根據控制脈沖與方向輸出 lpm_rom0 地址，用來選擇片內預先寫好的數(shù)據， rom 輸出的數(shù)據 p[31..24]、 p[23..16]、 P[15..8]、 P[7..o]分別加載到各數(shù)字比較器 lpm_pare0 的一端，元件 CNT128 為 PWM計數(shù) 器，是一個 8位二進制 PWM 計數(shù)器，設置計數(shù)器的計數(shù)范圍為 0~128，在脈寬時鐘作用下遞增計數(shù)，產生階梯形上升的周期性的鋸齒波，即將整個 PWM 周期 128 等份。 輸出數(shù)據加載到各數(shù)字比較器 lpm— pare0 的另一端，當 PWM 計數(shù)器的值小于波形 ROM 輸出的數(shù)值時，比較器輸出低電平 。元件 lpm_pare0 八位數(shù)據比較器電路及l(fā)pm_rom0 PWM 波形 ROM 均采用 LPM 元件定制實現(xiàn)。達到限流及細分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)了步距細分的目的。 ROM 中的 PWM 波形數(shù)據為初始化數(shù)據文件 :。設置地址與數(shù)據表的表達格式均用十六進制表示。實現(xiàn)步進電機的 256 細分。 仿真結果 對四相步進電機 PWM 細分控制電路進行仿真，以 32 細分為例 :波形圖如圖 所示 : 圖 圖中展示了 FPGA 控制步進電機的工作過程。 dir 為方向控制， dir=1 電機正轉，中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 32 頁 通電方式為 A— AB— B— BC— C— CD— D— DA— ?，由圖中可以看出，首先步進電機 A相導通， B、 C、 D 相截止，然后逐漸過渡到 AB 相導通，經過 16 拍從 A 相轉到 AB相。由于從 A到 B，從 B到 C，從 C 到D，每次轉換經過 32 拍。 將上圖放大至如圖 。 A相輸出高電平，然后逐漸過渡到 AB 相導通， P[31..0]輸出數(shù)據為 : 88080000— 88100000— 88180000— 88202000— ? — 88880000 B 相的數(shù)據逐漸增大，從 08增大到 88。再經過 16拍從 AB相轉到 B相， P[31..0]輸出數(shù)據為 : 78880000— 70880000— 68880000— ? — 00880000 A 相的數(shù)據逐漸減小，從 88變?yōu)?0。 圖 由于步進電機是電感性負載，對輸出的 PWM 電流具有平滑濾波作用，對電機線圈起作用的是 PWM 的平均電流， 同時輸出信號中的毛刺也將會被慮除。采用 VHDL 語言并根據步進電機的不同，改變模塊程序的參數(shù)，實現(xiàn)不同型號的步進電機控制。