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基于FPGA步进电机细分驱动控制毕业设计论文
毕业设计[论文]
题目：
基于FPGA步进电机细分驱动控制
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摘要
步进电机驱动系统具有开环控制精度高，成本低，控制简单的优点，应用十分广泛，但它也有低频共振等缺点。
本文设计了一种基于FPGA的正弦波可变细分步进电机驱动系统，可有效地解决这个问题。
该驱动系统可实现对步进电机的全数字化控制，采用FPGA芯片实现对步进电机驱动控制，并通过串口与上位机进行通讯，以实现在线参数调节及简单的电机位置控制、加减速控制功能；采用线性电流传感器IR2175实现对反馈电流的测量；采用智能功率模块IRAMX16UP60A实现对电机的驱动。
这种硬件结构使该驱动系统具有体积较小，抗干扰能力较强，驱动能力较强，成本较低的优点。
设计过程中采用自顶向下的模块化设计方法，用VHDL语言对电路进行描述，并用EDA工具进行了综合和仿真。
优化设计了电流测量模块和PWM模块等关键性模块，使这两个模块在最高工作频率为150MHZ的FPGA芯片中达到了超过170MHz的性能，提高了芯片的对输入输出信号的控制能力。
结合可编程状态机和普通状态机的部分优点，设计实现了一种可实现复杂逻辑功能的控制单元。
该控制单元消耗资源很小，在采用流水线技术后，其指令可单周期执行，并且工作频率可达100MHZ。
本文还专门介绍了SPARTANIII芯片所提供的几种元件的使用方法。
经测试表明，该驱动系统具有调试方便，抗干扰能力较强，驱动能力较强的优点。
关键词：
步进电机；FPGA；可变细分；正弦脉宽调制；驱动
Abstract
Thedrivingsystemofstepmotorhasbeenwidelyusedinindustry.Ithastheadvantageofhighaccuracyoffixingposition,lowcost,controlease,andalsohasthedisadvantageofresonanceinlowfrequencyinthispaper,IhavedesignedaFPGA-baseddrivertodrivestepmotorwhichcanusingsinepulsewidthmodulationtorealizeadjustablesubdivision.
Thisdrivercancontrolthestepmotorinfulldigitalmode.ItuseFPGAtogenerateallcontrolsignalstoexchangedatawithupperunitsbyserialcommunicationinordertoadjustsomeparameter;useIR2175whichisalinearcurrentsensingICtomeasurefeedbackcurrent;useMotion-SmartPowerModuletodrivethemotor.Becauseofthisarchitecture,thisdriverhastheadvantagesofsmallsize,lowcost,highanti-interferenceabilityandlagerdrivingpower.
Employingthetop-to-bottomdesignmethod,thecircuitwasdescribedbytheVHDLlanguage,synthesizedandsimulatedintheEDAenvironmentcurrent'smeasuremoduleandPWMmodelareoptimized,whichcanreach170MHzperformanceinaFPGAchipwhoseSystemperformanceisupto150MHz.Thesetwomodulesimprovethechip'sabilitytocontrolinputsignalandoutputsignal.IhavedesignedacontrolunitwhichcombinessomemeritofstatemachineandtheConstantCodedProgramableStableMachine.Thiscontrolunitoccupylittleresource,andcansupport100MIPSperformance.Inthispaper,IhaveintroducedsomeimportantcomponentswhicharesupportedbySPARTAN-11family.
Accordingtoexperiment'sresult,thisdriverhastheadvantagesofeasydebugging,highanti-interferenceabilityandlagerdrivingpower.
Keywords:
Stepmotor;FPGA;AdjustableSubdivision;SPWM;Driving
第1章绪论
1.1引言
电气驱动控制系统是以电机为控制对象，以微电子芯片为控制核心，以电力电子功率变换器为执行机构，在自动控制理论的框架下组成的控制系统，其目的是通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulsemotor或Stepperservo，其应用发展已有约80年的历史。
可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动.就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。
这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。
步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。
保证步进电机具有良好的工作特性是设计机电一体化产品及设备所必须考虑的问题之一。
步进电动机不能直接接到交直流电源上，而必须使用步进电动机驱动器。
步进电机工作性能的优劣，除了取决于步进电机本体的性能外，还取决于步进电机驱动器的优劣。
实际上步进电动机本体与驱动器是密不可分的两部分，两者一起统称为“步进电机系统”或“步进电机单元”，其运行性能是电机和电路两者配合所反映出来的综合效果。
因此，对步进电动机驱动系统的研究几乎是与步进电动机本体的研究同步进行的。
1.2步进电机的特点及应用
步进电动机是数字控制系统常用的执行电动机，具有如下优点：
（1）一种离散运动的执行装置，与现代数字控制技术有着内在的联系，很容易与其它数字器件进行接口；
（2）位置误差无积累；
（3）位置采用开环方式控制，不需要位置反馈环节，系统结构简单；
（4）采用混合式步进电动机，除停转期间消耗电能少外，还具有记忆功能，可以在停电时将转子锁定在特定的位置上；
（5）动态响应快，易于起停、正反转及变速；
（6）系统简单实用，设计容易。
但是步进电机自身也存在许多缺点，制约步进电动机应用的两个主要问题就是失步和振荡。
由于步进电动机在大多数情况下采用开环运行的方式，对转子位置不做检测，它的主要运行性能指标完全依赖于供电电源、负载和电机本体。
在极低频率下作连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。
如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置。
这种运行状态为具有步进特征的连续运行状态，每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡的趋势越厉害。
当脉冲频率等于或者接近于自由振荡频率f或者f/k（k=1,2,3…）时，如果阻尼作用不强，就会出现严重的振荡甚至失步和无法工作，这就是步进电机的低频共振现象，一般不允许在共振频率下运行。
步进电机区别于其它控制用途电动机的最大特点是，它接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。
它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。
而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。
因此，随着运动控制系统数字化的到来，步进电机的应用日益广泛。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
基于步进电机在应用上的诸多优点，步进电机作为自动控制系统中的重要执行部件，已经在许多工业控制系统中得到了应用。
在计算机的外围设备（如打印机、卡片阅读机、主动轮驱动机构等）中总可以见到步进电机。
步进电机也在数字控制系统、工具控制系统、程序控制系统中得到了广泛的应用。
步进电机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。
1.3课题研究的目的和意义
步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机。
它的主要优点是：
可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价，位移与输入脉冲信号数对应，步距误差步长期积累，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统，无刷，电机本体部件少，可靠性高；易于启动、停止、正反转及变速，响应性好；停止时有自锁能力；步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。
在小步距情况下，通常可以在超低速下保持高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载；速度可在相当宽范围内平滑调节。
同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。
但是，步进电动机运行工况存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高，严重制约了步进电动机的应用范围。
如果步进电机的能够克服低频振荡，降低振动，提高分辨率，而为此付出的代价不大的话，可以肯定步进电机的应用范围将更广。
采用细分控制策略研制的驱动器有望克服步进电动机运行工况中存在许多不足之处。
但是目前的基于DSP的细分驱动器成本比较高，基于单片机细分驱动器性能不太好，并且没有较大的发展空间，基于专用控制芯片的细分驱动器通常只能用来驱动功率较小的步进电机。
本课题是利用FPGA为控制模块，IR2175构成电流反馈模块，使用IR公司的IPM模块作为电源功放级，构成低成本，高性能的步进电机驱动器，使之可以驱动一些功率稍大一点的混合式步进电机。
FPGA的大容量，高速处理能力可以将所有的控制部分集成到FPGA芯片中，很大的提高了系统的可靠性。
IR2175直接测量步进电机绕组的电流，以PWM波的占空比的形式将电流反馈信号和过流反馈信号传送给FPGA.。
IPM模块的较强的驱动能力，使该驱动器可以驱动小型电机。
这种新型的驱动器体积小，硬件结构简单，成本低，抗干扰，控制能力强，并可以很容易的实现驱动器的升级换代，一旦投入使用必将扩大步进电机的应用范围，降低步进电机驱动系统的成本。
第二章步进电机的结构和细分驱动原理
2.1步进电机的结构
步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，英文名通常有stepmotor,steppingmotor,stepper等等。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以简单的定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。
从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。
步进电机的相数指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相的为0.75°/1.5°，五相的为0.36°/0.72°。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
2.2步进电机的分类
通常步进电机一般可分为永磁式步进电机（PMStepMotor），反应式步进电机（VRStepMotor）和混合式步进电机（HybridStepMotor）三类。
2.2.1永磁式步进电机
转子上安装永久磁钢的步进电机叫做永磁式步进电机。
其定子上绕有绕组，转子装有磁钢，转子上磁钢的极数与定子每相绕组的极数相同。
当电流从A端流入，O端流出，此时，磁极1,3,5,7分别呈现S,N,S,N极性，定、转子磁场相互作用，产生整步转距，使转子转到定子和转子磁极间能产生最大吸引力的位置。
当A端断开正脉冲信号，并且电流从B端流入，O端流出，磁极2,4,6,8分别呈现S,N,S,N极性，即定子磁场轴线沿顺时针方向转动45度,整步转矩使转子也顺时针方向转动45度，以保持定、转子磁极间吸引力最大。
接着B端断开正脉冲，并且电流从O端流入，A端流出，磁极1,3,5,7分别呈现N,S,N,S极性，定子磁场轴线又沿顺时针方向转动45度，转子也同样转动45度。
依此类推，当定子绕组按A+，B+，A-，B-，A相（假设电流从某相流入电机为正，流出为负）的顺序输入脉冲信号，转子将按顺时针方向做步进运动，这种通电方式称为二相四拍，还有双四拍工作方式，其通电顺序为：
A+B+,B+A-,A-B-,B-A-。
图2-1永磁式步进电机
一般来说，在不同的相数和极数时，步距角为
式中m表示为拍数;
P表示为极对数
永磁式步进电机具有动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步距角大（一般为7.5度或15度），另外需要驱动电源提供正，负脉冲。
这使驱动电源线路复杂化。
由于以上原因，永磁式步进电机在需要精确定位的场合使用不多。
2.2.2反应式步进电机
反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，电机中仅定子有磁性，转子由铁心组成，无磁性。
电机转矩是基于磁阻最小的原理产生的。
一台三相反应式步进电机它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，这两个磁极的极性相反绕组接成星形。
转子铁心及定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。
转子铁心上没有绕组，转子齿数为40，每一个齿距对应的空间角度为
当某一相绕组通电，例如A相绕组通电时，电动机内建立以AA为轴线的磁场，由于定转子上均有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的每个极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。
转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以A相通电时，转子处于A相极下定转子齿对齿的位置。
B相绕组的轴线，与A相绕组的轴线的夹角为120度。
中间包含的齿距数为120/9=13+1/3齿距，即当A相极下定转子齿对齿时，B相磁极上定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线1/3齿距；C相磁极上定子齿的轴线，则沿ABC方向超前转子齿的轴线2/3齿距。
在A相断电的同时，给B相通电，则建立以BB为轴线的磁场，磁场沿ABC方向转过了120度空间角。
此时，转子齿的轴线将力求与B相磁极上定子齿的轴线对齐，以达到稳定平衡位置。
很显然，比起A相通电时，即比起上图所示的位置来，转子沿ABC方向转过1/3齿距。
相似地在B相断电的同时，给C相通电，则建立磁场的轴线的CC'方向，转子又沿ABC方向转过1/3齿距，以使C相极定转子齿对齿。
可见，在连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给各相绕组通电时，电机内磁场的轴线沿ABC方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角度为二相磁极轴线间的夹角120度而转子则每次转过1/3齿距，即3度空间角。
当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿ABC方向转过360度空间角，转子沿ABC方向转过一个齿距磁场速度与转子转速的速比等于转子齿数。
若用m表示运行拍数，z表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度的平均值即为步距角θ，可表示为：
可看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子齿数成反比。
反应式步进电机优点是步距角小、启动和运行频率高，缺点是断电时无定位转矩，消耗的功率比较大。
2.2.3混合式步进电机
混合式步进电机也是大家熟知的同步感应子电机，美国习惯于将这种电机称为永磁步进电机，一般当作低速同步电机用，当相绕组正常励磁时也有步进能力。
这种步进电机通常有多相绕组，类似反应式的。
定子则与反应式的完全一样，只是在转子上有永久磁铁或者单独的直流线圈产生的轴向磁场，它们的结构分别对应于图2-1和2-2所示。
图中单向磁场的磁通均用虚线表示。
此时，表示出了这是一台两相，每相4极绕组的步进电机。
图中转子齿数Nr=50；定子实际上仅40个齿，每极5齿。
但对于一个完整的定子圆周应有48个齿。
由于嵌线需要在每个磁极上去掉一个齿。
图2-2混合步进电机的结构图
一般，对特定的四相步进电机，定子绕组每相q个极与定子齿数Ns和转子齿数
Nr的关系可得到Ns=Nr+k
图2-3混合步进电机的剖视图
转子齿之一与磁极N1的中心线对齐，同样也与凸极N5对齐；此时凸极S8和S7的中心齿离转子最近为半个转子齿距。
因此，这些齿是处在磁阻最大位置上。
该步进电机具有两段不同的转子，且两段转子相互错开半个转子齿。
所以，在B-B'截面处，凸极N1和N5的中心齿相对于转子齿正处在最大磁阻位置；而S3和S7下的齿正处在最小磁阻位置。
由定子绕组产生交变磁通的磁路也在图2-3中表示。
直流磁通和交流磁通相组合，作用在气隙里，由于交流磁通不通过永磁体，故无去磁效应。
2.3步进电机驱动技术概述
步进电机驱动技术指的步进电机驱动器的驱动级用来实现对步进电机各相绕组的导通和截止，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。
步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小有两种，即整步和半步。
步距角由电动机的结构确定，一经设计完成后，只能改变脉冲的频率实现调速，从而造成了使用的单一性。
同时绕组电流为方波，造成很大的转矩脉动，这种运动给步进电机的应用带来不少的弊病，最为显著的就是低频振荡现象。
为了改善这个问题，出现了一种新型驱动方式，就是细分驱动技术。
所谓细分驱动就是把步进电机的一步细分为若干步，这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步，实现微量进给。
为了减小步距角，单从电机本体来解决是有限度的，于是设法将供电的矩形电流波改为阶梯状的电流波，这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的偏转角减小，从而大大改变步进电机的低频特性。
细分驱动的思想早在六十年代就已经提出，但由于当时没有低成本的集成电路和优异的功率开关器件而未能付诸实施。
七十年代后期，单片机技术日趋成熟和普及化，促进细分驱动技术的蓬勃发展。
随着电流跟踪型PWM控制技术的发展以及恒流斩波技术的成熟，使得以恒流斩波技术为基础来控制绕组电流成阶梯状的细分驱动技术得到了广泛的应用，从而使得电动机的每转步数不受电机本体结构的限制。
细分运行方式存在多种形式，但是三相混合式步进电机驱动系统的最佳细分方式是等步距角、等转矩的均匀细分运行方式。
均匀细分运行方式的本质与电机理论中圆形旋转磁场的形成是一致的。
到目前为止，步进电机
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