基于FPGA的四相步进电机细分控制电路设计

摘要步进电动机又称阶跃电动机或脉冲电动机,它是一种典型的机电一体化器件。步进电动机可以接收数字脉冲信号并转变其为角位移或线位移。本次设计使用的是四相步进电机，而目的是要实现四相步进电机的细分控制，即对四相电流先进行八拍细分，而后再对每拍进行细分，而FPGA技术的发展和改善，很有可能实现步进电机的细分，并且可以进行稳定、精确的响应和控制。要想实现基于FPGA的四相步进电机细分控制电路设计，首先我要对FPGA（现场可编程集成电路）进行了解，并按照FPGA设计流程进行编写和仿真实现，电路的设计和输入我应用了VHDL编程语言，在QuartusⅡ软件上进行了波形仿真，在设计过程中，我应用了PWM细分驱动技术，从而于每拍电流形成阶梯性向上的波形，由此实现细分的目的。对每个模块儿进行编写和成功仿真后，完成了软件设计部分。硬件设计部分我应用了L298N驱动集成电路，L298N能够实现FPGA弱信号的功能放大，并针对弱信号和强电流的冲突问题在连接中设置了光电耦合器，最终成功驱动步进电机，实现了步进电机的细分驱动。关键词：步进电机；FPGA;PWM细分驱动FPGAbasedfourphasesteppingmotorsubdivisioncontroldesignAbstractSteppermotorisalsocalledstepmotororpulsemotor,itisatypicalmechatronicsdevice.Steppermotorcanreceivedigitalpulsesignalandchangeitintoangulardisplacementorlinedisplacement.Thisdesignistheuseoffourphasesteppingmotor,andtheaimistoachievethefourphasesteppingmotorsubdivisioncontrol,namelythefourphasecurrentforthefirsteightshotsegmentation,andthentotakeeverysegment,andthedevelopmentofFPGAtechnologyandimproved,itispossibletoachievethebreakdownofsteppermotor,andcanbeastable,accurateresponseandcontrol.InordertorealizebasedontheFPGAfourphasesteppingmotorsubdivisioncontrolcircuitdesign,firstofallIwanttounderstandtheFPGA(fieldprogrammableintegratedcircuit),andaccordingtotheFPGAdesignprocessforthepreparationofandsimulation,circuitdesignandinputIusedVHDLprogramminglanguage,ontheQuartussoftwarehadwaveformsimulation,inthedesignprocess,IusedPWMsubdivisiondrivingtechnology,thustotakeeverysteptoformthecurrentwaveform,therebyrealizingtheaimofsubdivision.Eachofthemodulesofinfantswerepreparedandsuccessfulsimulation,completedthepartofsoftwaredesign.ThehardwaredesignpartIusedL298Ndriverintegratedcircuits,L298NcanachieveFPGAweaksignalamplifyingfunction,andaimingattheweaksignalandthecurrentconflictprobleminconnectinginthesettingofphotoelectriccoupler,theultimatesuccessofthesteppermotordrive,realizethesteppermotorsubdivisiondrive.Keywords:steppingmotor;FPGA;PWMsubdivisiondrive目录1绪论..................................................11.1引言...................................................11.2步进电机的特点和应用...................................11.3课题研究的目的与意义...................................22步进电机的结构和细分驱动原理..........................32.1步进电机的结构.........................................32.2步进电机细分驱动原理...................................42.3步进电机细分驱动的研究现状.............................53步进电机细分驱动系统的软件设计........................73.1FPGA...................................................73.2VHDL...................................................93.3PWM细分驱动电路......................................103.4控制部分..............................................113.5模块仿真..............................................144步进电机细分驱动系统的硬件设计.......................164.1驱动系统的组成........................................164.2L298N.................................................164.3L298N对功能放大的实现................................165结论................................................18参考文献：.............................................19致谢...............................................20河北大学工商学院2012届本科毕业生论文11绪论1.1引言步进电动机又称阶跃电动机或脉冲电动机,它是一种典型的机电一体化器件。步进电动机可以接收数字脉冲信号并转变其为角位移或线位移。因为不必进行数模转换,故使用起来非常方便,它广泛于阀门控制、数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器等需要高定位精度及高灵活控制性的系统中应用。步进电动机运行时对于有相当功率的时序脉冲按要求的逻辑馈送给它的各个控制绕组有着要求,并且为了步进电动机调速的实现,要求其能够改变送给各个控制绕组的时序脉冲的频率。现如今，随着FPGA技术的发展和改善，很有可能使用其进行各种各样的运算，并且可以进行稳定、精确的响应和控制。近些年，随着不断增加的需求量，FPGA的技术得到了迅速的发展，总的来说现在的FPGA的性能等同于2.0um时代的门阵列水平，仍未达到固定标准程序阶段。在光通信区域的商家为了保持竞争力，必须采用以FPGA设计的ASIC电路。近些年我国迅速发展的光通信系统中也较多的采用了FPGA器件。FPGA的市场发展、FPGA研究开发最早、产品系列最多、换代最快的是美国，至于日本，因为一些厂家认为FPGA只是产品开发阶段被采用，批量生产时就会被门阵列电路代替，所以占有率不是很高，而在我国电子产品的开发及生产蓬勃发展，FPGA的应用也受到人们极大的关注，FPGA不但可以应用于某些高档次产品，一些消费性电子产品也已经广泛使用。不少大学还将FPGA应用于科研教学工作之中。且预计我国的FPGA的需求量还会不断的上升。步进电机是把脉冲信号转换成角位移或直线位移的执行原件，是一种对应于输出与输入数字脉冲中的增量驱动元件。具有定位、精度高、无积累误差、启动性能好、价格低廉、易于控制及计算机接口方便等优点，广泛应用于数控系统中。计算机技术的发展，对数字控制系统技术的发展起到了促进的作用。步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角、提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。利用FPGA中的嵌入式EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形表，再利用数字比较器同步产生多路FPGA电流波形，以控制多相步进电机。改变控制波形表的数据、增加计数器和比较器的位数、提高计数精度、就可以予PWM波形的细分精度以提高，进而对步进电机的步进转角进行任意级的细分，以实现转角的精确控制。1.2步进电机的特点和应用步进电机是一种由数字系统控制的执行电动机，其具有以下优点：（1）整个系统简单廉价且可以用数字信号直接进行控制。（2）位移与输出脉冲信号数一一对应，可以组成结构较为简单而且具有一定精度的开环控制，步距误差不长期积累，也可在要求更高精度的情况下组成闭环控制系统。（3）无刷，电动机本体部件比较少，可靠性高。河北大学工商学院2012届本科毕业生论文2（4）正反转及速度响应性好，易于启动/停止。（5）停止时有自锁能力。（6）步距角可以在大范围内进行选择，通常可以不经减速器直接驱动负载，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高速矩稳定运行。（7）速度可平滑调节在相当宽范围内，同时用一台控制器控制几台步进电动机可完全同步运行。但是步进电动机也存在着很多的不足，其带惯性负载能力较差。因为存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。且需要专用的伺服控制器控制，不可以直接使用普通的交直流电源驱动。步进电机却别于其他电动机的最大特点为：它接受电脉冲信号（数字控制信号），并将其转换成与之相对应的角位移或是直线位移。它本身就是一个完成模拟/数字转换的执行元件。且它可以进行开环位置控制，通过输入一个脉冲信号就可以得到一个规定的位置增量，这样的增量位置控制系统比较起传统的直流伺服务器系统，成本有显著的降低。因此，步进电机的应用随着运动控制系统数字化的到来而日益广泛。在通过控制买成个数来控制角位移两从而达到准确定位目的的同时，也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度/加速度以达到调速的目的。基于步进电机再生产应用上的优点，其已经在许多工业控制系统中作为重要执行部件得到了应用。在计算机外围设备种总有步进电机的出现。步进电机在数字、工具程序控制系统之中得到了广泛的应用。1.3课题研究的目的与意义步进电机由于其可用数字信号直接进行开环控制，唯一于输入脉冲信号数相对应，步距误差步长期累积，可靠性高，无刷，电机本体部件少；易于启动和停止、正反转及变速，响应性好等优点的存在，被广泛应用于工业控制之中，但是，步进电机运行工况也存在着许多的不阻止住，例如噪声大，分辨率较低，低频震荡等，严重对其应用范围造成了制约。如果步进电机能够克服以上的缺点，那可以肯定其应用范围可进一步扩大。采用电路细分控制的策略便是为了有望克服步进电机在运行工况中出现的诸多不足之处。但是目前的状况为：基于单片机细分驱动器性能不好，并且发展空间局限，基于占用控制芯片的细分驱动