基于FPGA的步进电机细分驱动控制器的设计Word文档格式.docx

1、在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。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。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国己经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次

2、的数控系统。其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。 除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电

3、机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的

4、控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语或C语一言进行软件开发，在windows平台下

5、利用VISua1C+6.0提供的串行通信控件MSColnln来实现PC机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由pC机直接控制步电机的方法;在windows平台下和单片机配合控制步进电机;PLC控制的脉冲驱动方案等等。1.2国内外研究现状 在步进电机的发展过程中，出现了多种控制方案。 （1）基于电子电路控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三

6、部分组成:脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。（2）基于单片机控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形

7、分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配因。本方案有以下优点（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响;（2）用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了

8、接口电路的灵活性和通用性困;（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。（3）基于PLC的控制PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PL

9、C输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到

10、几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。（4）基于FPGA的控制2001年有人利用Xilinx公司生产的CPLD器件XC9536为核心来产生电机绕组参考电流，实现了具有绕组电流补偿功能的两相混合式步进电机10细分和50细分运行方式，获得了良好的系统运行效果，并显著提高了两相混合式步进电机的分辨率，减少震动，并增加电机运行时的稳定性川。由于采用CPLD/FPGA，极大减少了分立元件的使用，除了少数接口电路以外，大多数逻辑均在片内实现。传统用

11、单片机控制步进电机虽然成本低廉，然而若在驱动多个步进电机的情况下，由于单片机的内部产生脉冲的端口或者计算器有限，我们必然需要多个单片机，这时就涉及到多个单片机之间的传输协议和步进电机的运行配合等问题，另外，成本也随之上升。而FPGA使用灵活，可方便地与数字控制器和模拟控制器连接，直接用于步进电机控制，具有较高地性价比，并可驱动多个步进电机。1.3 FGPA的原理及其发展现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）器件是Xilinx公司1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作。第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至

12、今，FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之际，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA器件的种类很多，按基本结构来分包括在PAL结构基础上扩展的EPLD，CPLD和标准门阵列逻辑单元型的FPGA器件。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块

13、CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点包括：（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；（3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚；（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；（5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目

14、前FPGA的品种很多，有Xilinx的XC系列、TI公司的TPC系列、Altera公司的FIEX系列及Altera Cyclone系列等。而且Altera Cyclone系列FPGA从根本上针对低成本进行设计。这些低成本器件具有专业应用特性，例如嵌入式存储器、外部存储器接口和时钟管理电路等。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一