基于FPGA的步进电机细分驱动控制器的设计

1、中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书 1绪论 1.1课题研究背景及意义 历史证明，一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力，国家的 发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力展制造 业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展， 并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用， 先后出现了数控（NC）、计算机数控（CNC）、 柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）计 算机集成制造系统（CIMS）等多项先进制造技术与制造模式，推着世界制造业进入一 个崭新的阶段川。而在这些技术环节中，具有很多优

2、点的步进电机就是一个重要角 色，比如在数控技术中。 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppi ngmotor、 Pu1Semotor或stepperServQ其应用发展己有约 80年的历史。可以说步进动机天 生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过外加 控制脉冲，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。在非超载的情况下，电机的转速、

3、 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的数控系

4、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 第2页共32页 中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书 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

5、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

6、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

7、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。 第3页共32页 中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书 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

8、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

9、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

10、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 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P

11、LC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PLC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

12、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

13、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/FPG，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

14、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艺制作。第一 片现场可编程逻辑器件(FPGA至今，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、 Xi

15、li nx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 CLB(Co nfigurable Logic Block)、输出输入模块 IOB( In put Output Block、和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA勺基本特点包括： (1) .采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生

16、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CHMO工艺，功耗低，可以与 CMOSTTL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。 目前FPGA勺品种很多，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

17、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

18、以产生不同的电路功能。因此， FPGA勺使用非常灵活。FPGAt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片 PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行 PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其 编程。 近几年随着微电子集成技术的迅猛发展，利用各种可编程逻辑器件特别是 FPGA 来构成各类电机控制系统的研究方兴未艾。由于FPGA高的时钟频率和大规模逻辑 门，以及I/O 口多的特点，易于实现以往无法实现的算法，并且在系统编程的特点 使得其研发比较灵活。FPGA独特的优越性使得它在步进电机系统中的应用会越来 越广泛。

19、当然，如果将所有的控制性能都设计在一片 FPGA芯片中，就不得不考虑 到成本的问题。我们可以利用其他廉价的微控制器和FPGA共同来产生PWM波形， 使FPGA器件减少工作量，这样就可以减少逻辑门，大大降低系统的成本。所以利 用FPGA来实现步进电机的PWM波形模块、电流环，速度环和其他一些辅助功能， 完成整个系统的控制。这种控制策略简化了硬件和软件设计，并充分利用FPGA勺 快速性，节省CPU勺资源，这样就可以在CPU内实现复杂的控制器。这是一个高度 集成化的单片控制系统，最终可实现电机控制电源的模块化。 由于FPGA/CPL直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件 测试和实现快

20、捷，用以开发步进电机控制器的效率高，成本低，工作可靠性好。近 些年来，由于步进电机的控制精度不断提高， 越来越多有较高控制精度要求的系统 也开始采用步进电机。 纵观现场可编程逻辑器件的发展历史， 其之所以具有巨大的市场吸引力， 根本 在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开 发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPG/越来越多地取代了 ASIC 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。 目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系 统设计进入“片上可编程系统” （SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低

21、压、低功 耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其 IP库，以优化的资源更好的满足用户 的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓 FPGA动态可重构技术的开拓，将推动 数字系统设计观念的巨大转变。如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化 时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设 计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功 耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不 得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。 1.4课题主要研究内容及工作 本文完成了基于FPGA控制步进电

22、机细分驱动的设计。系统由FPGA控制器、L298 驱动电路、步进电机组成，能够步进电机的细分驱动控制。各部分内容安排如下： 第一章：绪论，介绍课题的研究背景及意义、国内外研究现状和FPGA的原理 及发展，并介绍了课题的主要研究内容。 第二章：介绍系统的硬件设计，系统概述，步进电机介绍，步进电机驱动电路 的介绍，FPGA的介绍。 第三章：介绍基于FPGA勺步进电机细分控制，包括基于 FPGA勺设计方法，自 顶向下的设计方法，自顶向下的设计流程，面向FPGA的开发流程，EDA技术的优 势面向FPGA勺EDA开发流程。还介绍了 FPGA技术在步进电机细分驱动中的应用， 以及步进电机细分驱动原理。 第

23、四章：介绍了系统的设计及仿真结果，包括集成开发环境介绍，VHDL语言 介绍；包括步进电机设计，顶层原理图的设计，PWMI制模块的设计和仿真结果。 第五章：对整个设计做了总结。 第14页共32页 2系统硬件设计 2.1系统概述 系统由FPGA空制器、步进电机驱动电路组成，系统功能框图如图 2.1所示。 FPGA为主控制器，本系统选用控制功能灵活的 FPGA乍为步进电机的主控制器，步 进电机驱动电路选用L298驱动的驱动电路。 图2.1 2.2步进电机介绍 自从法拉第发现电磁感应定律后，电机的出现大大加速了社会的发展和方便了 人们的日常生活。步进电机由于能够精确控制电机转过的角度，所以得到了广泛的

24、 应用。 步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐 应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得 今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵 活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中， 我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项 指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 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

25、进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，当步进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 以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 （精度为100%的特点，广泛 应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机分为三种：反应式步进电机（VR

26、、永磁式步进电机 （PM、混合式步进电机（HB、。本章节以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与 应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。反应式步进 电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转 矩。常用小型步进电机的实物如图 2.2所示。 图2.2 步进电机具有如下的特点： 1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料 退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同 电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有

27、的 甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕 组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电 机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫 声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常 启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵 转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率 应该有加速过程，即启动

28、频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转 速从低速升到高速）。 2.3步进电机驱动电路设计 综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，为了说明应用 原理，故采用最简单的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制 中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用分立的达林顿驱动电路实现，如图 2.3所示。 VCC 图2.3 在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多场合用 现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用ULN2003或 ULN2803 ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、 工作电压高、温

29、度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动 的系统。ULN2003A由 7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网 络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。 ULN2003内部结构及等效电路图如图2.4所示。 图2.4 L298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻 辑电平信号和驱动电感负载的，例如直流电动机和步进电动机具有两抑制输入来使 器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用 来连接外设传感电阻。L298芯片是具有15个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯 片。 L298特点是：工作

30、电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流 可达3A,持续工作电流为2A;内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以 用来驱动直流电动机和步进电动机等感性负载；具有两个使能控制端，在不受输入 信号影响的情况下允许或禁止器件工作。步进电机的驱动电路图如图2.5所示。 +5V +12V 3 10 12 6 11 1 5 R? R? 1N1 O o IN2 1阳 IH4 OUT1 OUT2 EKA OUT3 EKB OUT斗 删汨 2OUT1 3 OUT2 13 OUT3 1斗 OUT4 L298 ELES2 图2.5 2.4 FPGA 介绍 FPGA部分是本系统的核心模块，承载了所

31、有的数字电路部分。在设计过程中， 强调SOC（片上系统）的概念，在 FPGA平台上实现了系统中所需要的所有数字逻 辑，包括触发器、存储器，缓冲器，PLL（锁相环），计数器，译码器，多路选择器 等。从而使得系统中的数字部分处于完全可编程可调状态，只需根据需求更新FPGA 程序即可，具有较强的适应性和灵活性。我们选用Altera公司的Cyclone II系列 的FPG EP2C8Q208C8作为主控芯片。它具有 8000多个逻辑单元、208个引脚、 120多个I/O接口、18个乘法器模块和2个锁相环还有专门，还有是一个集成度较 高的FPGA芯片。下面将对本系列FPGA勺性能及特点做详细介绍。 Cy

32、clone II FPGA! Cyclone系列低成本FPGA中的最新产品。Altera公司于2002 年推出的Cyclone器件系列永远地改变了整个 FPGA亍业，带给市场第一也是唯一 的以最低成本为基础而设计的 FPGA系列产品。Altera采用相同的方法在尽可能小 的裸片面积下构建了 Cyclone II系列。Cyclone II FPGA系列提供了与其上一代产 品相同的优势一一套用户定义的功能、业界领先的性能、低功耗但具有更多的密度 和功能，极大地降低了成本。Cyclone II器件扩展了低成本FPGA勺密度，最多可 达到68, 416个逻辑单元（LE）和1.1M比特的嵌入式存储器。C

33、yclone II器件的 制造基于300mm晶圆，采用台积电90nm低K值电介质工艺，这种可靠工艺也曾 被用于Altera的Stratix II器件。这种工艺技术确保了快速有效性和低成本。通过 使硅片面积最小化，Cyclonell器件可以在单芯片上支持复杂的数字系统，而在成 本上则可以和ASIC竞争。所有Cyclo nell器件都可以通过免费的 Quartus II网络 版软件来支持。 本系统中的FPGA配置芯片采用Altera公司的芯片EPCS4它的正常工作电压 为3.3V。它具有存储器的功能，在设计中主要用来存储下载的程序。FPGA勺配置 主要分为两大类，主动配置方式和被动配置方式。主动配

34、置方式由FPGA引导配置 操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程。 而被动配置则由外部计算机或控制 器控制配置过程。本次设计采用的是主动串行配置方式。在程序下载过程中，图中 VCC统一接3.3V电压。本设计中使用 USB-Blaster串口下载电缆下载程序， USB-Blaster串口下载电缆是一种直接连接到PC机USB接口的硬件接口产品。 USB-Blaster支持三种配置模式，即主动串行模式（AS，被动串行模式（PS和边 界扫描模式（JTAG。本系统采用边界扫描模式。其连接电路如图2.6所示。 P21 3 U5 VCC data 7 VCC DCLK 8 VCC ASDI GND VCC

35、_3.3V 2 6 1 5 4 EPCS 4-NEW n CSO ASDO VCC 3.3V -R35 ， I- P2222 R37 10K 126 125 TDI 19 TDO 16 R3610K TCK 18 TMS 17 10 ,DATA0 DCLK CONF_DON ,TDI n CONFI .TDO nSTATL .TCK ,TMS MSEL0 MSEL1 nCE U2C P20 20 21 10 EP2C8 R38 K f 26 nCONFI S 121 123 CONF DONE R3 10 R40 10K 1 2 4 VCC 3.3 V 6 7 9 8 n CSO 10 JP

36、AS1 CONF_DONE3 nCONFIG5 R41 10K VCC 3.3V Header 5X2 D2 R52 200 CONF_DONE LED2 图2.6 晶振用来产生一个不间断的脉冲波形。FPGA通过它产生一个时钟信号，作为 中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书 中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书 总的系统时钟来控制每个动作的时间及其快慢。 在本系统中的采用的是 40MHz的晶体振荡器。时钟发生电路的连接情况如图 2.7所示。 U2E OSC1 NC VCC GNIJOCT E40 VCC 3.3V 4 T 129 BO nr Is 24 n C1LK_ CLK6

37、 CL当电机以四相八拍 方式运行时，按A abb bc c CDd DAA的顺序轮流通电，即半 步工作，每次电流换向，步进电机将前进整步距角的1/8，二M =45。和单四拍方 式相比，和二b都减小了一倍，实现了步距角的二细分。 如果半步工作状态下每拍前进的角度超过控制精度要求，则需要对步距角进行 更进一步的细分。但是在通常的步进电机驱动线路中， 由于通过各相绕组的电流是 个开关量，即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各相绕组产生的 磁场也是一个开关量，只能通过各相的通电组合来减小九和vB。因此，这样可达 到的细分数很有限。以四相反应式步进电机为例，最多只能实现二细分，对于相数 较多

38、的步进电机可达到的细分数稍大一些， 但也很有限。因此要使可达到的细分数 较大，就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流，使其按阶梯上升或下降，即 在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态， 相应的磁场矢量幅值也就存 在多个中间状态，这样，相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间 状态。 我们知道，电磁力的大小跟绕组通电电流的大小是相关的。当通电相的电流不 马上到达峰值，而断电相的电流也不立刻降为零时， 电机内部磁场为上两相电流共 同合成，而产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置在 原步距角的范围内。也就是说，如果绕组电流的波形不再是一个近似方波，而是分 成

39、N个阶梯的近似阶梯波，则电流每升或者降一个阶梯时，转子转动一小步。当转 子按照这个规律转过N小步时，实际相当于它转过一个步距角。 步进电机步距角细 分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的。 通常采用电流矢量恒幅均匀旋转的 细分方法，即同时改变两相电流i a和i b的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转。 iA和i B的变化曲线可描述为 iA 二 ImCOSX iB = I m cosx 四相步进电机八细分时的各相电流是以 1/4的步距上升或下降的，在两相 Ta、 Tb中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度 S将由八步完成， 实现了步距角的八细分。图3.5所示为四相步进电机的八细分电

40、流波形。 图3.5 从图3.5可以看出，一般情况下总有二相绕组同时通电。一相电流逐渐增大， 另一相逐渐减小。对应于一个步距角，电流可以变化 N个台阶，也就是电机位置可 以细分为N个小角度，这就是电机的一个步距角被 N细分的工作原理。或者说，步 距角的细分就是电机绕组电流的细分，从而可驱动步进电机平滑运行。由此可见， 步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流。 为了对步进电机的相电流进行控制，从而达到细分步进电机步距角的目的，人 们曾设计了多种步进电机的细分驱动电路。 最初对电机相电流的控制是由硬件来实 现的，每一绕组的相电流用n个晶体管构成n个并联回路来控制，靠晶体管导通数

41、的组合来控制相电流。这种细分驱动电路线路复杂，体积大，成本高，而且电路一 旦制造出来就难以改变其细分数，缺乏柔性，因此目前己很少采用这种方法。 随着大规模集成电路FPGA/CPLD勺发展，为步进电机的细分驱动带来了便利。 步进电机细分驱动电路大多数都采用数字控制。根据要求的步距角计算出各项绕组 中通过的电流值，存储在FPGA勺嵌入式ROM中,根据不同的地址输出相应的数据， 输出到D/A中，由D/A把数字量转换为相应的模拟电压，并加到各相的功放电路上， 控制功放电路给各相绕组通以相应的电流， 实现步进电机的细分。根据末级功放管 的工作状态电机细分驱动电器可分为放大型和开关型两种。放大型步进电机细

42、分驱 动电路中末级功放管的输出电流直接受 D/A输出的控制电压控制，电路较简单，电 流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作在放大状态， 使功放管上的功耗较 大，发热严重，容易引起晶体管的温漂，影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶 体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此该驱动电路一般应用于驱动电流较小、 控制精度较高、散热情况较好的场合。 开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态，从而使得晶体 管上的功耗大大降低，克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较 复杂，输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电 机的驱动。随着大输出力矩步进电机的发展

43、，开关型细分驱动电路近年来得到长足 的发展。 目前，最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制(PWM式两 种。斩波式细分驱动电路的基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测，和D/A 输出的控制电压进行比较，若检测出的电流值大于控制电压，电路将功放管截止， 反之，使功放管导通。这样，D/A输出不同的控制电压，绕组中将流过不同的电流 值。 脉宽调制式(PWM细分驱动电路是把 D/A输出的控制电压加在脉宽调制电路的 输入端，脉宽调制电路将输一入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波， 通过对 功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个 感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大 于20 kHz，因此，虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。 和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高，工作频 率稳定，它的作用是将给定的电压信号调值制成接近连续的信号， 角速度的波动也 随着细分数的增大而