基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究.pdf

《基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究.pdf（5页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、书书书第!卷!第#期厦门大学学报!自然科学版$%&!(%#!#)*年+月,%-./0&%12 3 0 4 5/6/3 7 5.8 3 9:!(0 9-.0&;3 5/)?!收稿日期!#)#A基金项目!国家自然科学基金!?)*?B!#厦门大学创新团队发展计划!C D E 2=6 资助F 4 0 3&!G%/H:I!J 4-5 K-A!)?!可编程逻辑器件!M.%H.0 44 0 W&5S%H 3 R 5 7 3#使得M S R受到全世界电子设计工程师的普遍欢迎目前国内外广泛应用的M S R是现场可编程门阵列!L 3 5&KM.%H.0 44 0 W&5N 0 9 5 O.0:#L M NO和 复

2、 杂 可 编 程 逻 辑 器 件!V%4 U&5 J M S R#V M S R本文将L M NO在数字电路设计方面尤其是时序逻辑电路设计方面的优势#应用到具有多用途特性的步进电机运动控制系统中步进电机!;9 5 U=%9%.作为开环控制元件广泛应用于仪器仪表$机电一体化等方面#但受到自身制造工艺的限制#它的步距角一般较大且是固定的#步进分辨率低$缺乏灵活性$在低频运行时振动这些缺点使步进电机应用于要求较高的场合时#只能采取闭环控制#增加了系统的复杂性#严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用&#步进电机的细分控制是一种可以显著改善电机综合使用性能的驱动控制技术#可以在一定程度上有效

3、地克服上述缺点#目前#国内外在该技术领域的研究十分活跃国外在该领域当前的发展方向主要是大量采 用 高 性 能 的 专 用 芯 片!O;C V#不但价格昂贵#而且其所采用的集成技术由于涉及到微电子技术$集成电路加工技术$电力电子技术的前沿#在我国目前情况下暂不能实现&+采用集成加分立元件开发高性能控制$驱动系统是比较适合我国国情的基于上述考虑#本系统采用单片机T现场可编程门阵列!=V 6TL M NO 为硬件电路的基础架构!系统的多用途特性在不同的步进电机应用场合#对运动控制系统的具体要求#如电机的转速$输出功率$控制精度$开环或闭环控制等方面也大不相同通常用户必须根据步进电机的实际应用情况购买

4、或定制适用的控制器#这不仅增加了成本#也造成了开发工作的重复因此#本设计的研究重点在于运动控制系统的(多用途)这一特性#使系统可根据用户在上位机中进行的设定#同时对+台两相或四相步进电机在一维至三维系统中进行运动控制#而且可实现电机四拍工作方式的正常脉冲驱动!即细分数为一 和对步距角的可变细分驱动!二细分至六十四细分#以满足不同维度和不同精度的运动控制要求同时可根据用户需要处理反馈信息#形成闭环控制系统#提高电机动作的精确度和系统的通用性与灵活性用户可在上位机软件中最多设置B组工作模式=P R F)=P R F*一组工作模式包括步进电机一连串可持续的动作#其中电机的运动台数$转向$转速及细分权

5、值都是可变的若需要根据现场情况和人工判断才可进行的下续动作#则应归入另一组工作模式用户设置完工作模式后!可通过串行通信模块将上位机软件计算所得数据下载至运动控制系统的存储器中此后!本系统可脱离M V机!由单片机运行电机控制程序!经由自带的人机交互模块即可进行电机工作模式的选择和操作!这样可充分节约M V资源!降低成本将 工作模式#定义为电机运行参数可变的一连串可持续的动作!有一个很大的好处$步进电机有一个很重要的技术参数空载启动频率!它比电机的正常运行频率低得多因此在应用场合!如果要使电机达到高速转动!脉冲频率应该有加速过程!即启动频率较低!然后按一定加速度升到所希望的高频将 工作模式#按上述

6、定义!可以使用户在上位机软件中很方便地根据所用步进电机的性能特点!来设置电机加速%减速过程!实现电机的升降频控制!系统的硬件电路设计运动控制系统的硬件电路是运用M.%9 5&R 2 M进行设计!其总体结构如图所示!可分为以下几个主要部分$&=V 6主控单元$整个运动控制系统的控制核心为一片增强型?单片机!对其扩展了程序存储器和数据存储器!使系统的通信下载状态与控制电机状态相互独立!并设计了两种状态的切换电路!图!运动控制系统硬件电路总体结构图!L 3 H !L.0 4 5 X%.Y%14%9 3%/%/9.%&8:8 9 5 4 Z 8 3.)系列L M NO芯片F M L )#)D V该芯片

7、具有的最大系统门数为+)!最大用户C)P引出端数为 B A!每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制该芯片还内嵌了个嵌入式阵列块&F O !每个F O 提 供#Y W 3 9!可 通 过 灵 活 配 置 来 构 造D O=%D P=%L C L P等或者实现复杂的逻辑功能*!+本系统在L M NO片内集成了大部分的=V 6外围接口电路!其最主要的功能是实现了步进电机的脉冲分配器!负责细分代码的生成与输出!使=V 6软件结构和外围电路大为简化*?+#(!可变细分脉冲分配器以任何方式控制步进电机都必须对输出给绕组的脉冲进行分配本设计中的脉冲分配器是结合L M NO的特点和可逆循环计数寻址F M D

8、P=思想来实现的!其原理如图#所示!可逆计数器按统一时钟和一定参数循环计数!输出地址对D P=进行扫描!从D P=输出被扫描地址中存放的细分代码细分代码为一定位宽的数字信号!经R)O电路转换成相应的模拟量!并进行功率放大以驱动步进电机整个设计思想的本质为$将控制步进电机运转的矩形脉冲波通过细分代码转换成阶梯近似%幅值恒定的正弦%余弦波运用L M NO的 软件编硬件#的特点可使=V 6的控制程序简化!有利于系统升级!其原理图如图+所示每台电机都拥有一个脉冲分配器!由分频计数器&K 3 7 8 9 5 U模块%整步信号处理模块&8 9 5 U K 5 0&模块 和两个D P=&S M=D P=模块

9、 组成通过对L M NO片内个嵌入式阵列块&F O 的配置实现个#?字节D P=!用以存放+台步进电机运转一周期的&O%相细分代码分频计数器对D P=,?A,第#期!洪永强等$基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究!图#!可逆循环计数寻址F M D P=原理图!L 3 H#!;G 5 4 0 9 3 1%.4%1 :&5%-/9F M D P=0 K K.5 8 8!图+!步进电机脉冲分配器原理图!L 3 H +!;G 5 4 0 9 3%1 8 9 5 U U 5.4%9%.8 ZU-&8 5 K 3 8 9.3 W-9%.8进行地址扫描!输出电机的细分代码至RO转换芯片!同时!

10、输出恒流斩波驱动电路中电机绕组的开关信号分频计数器的分频系数L R#计数权值V M和方向参数6 MR P(由=V 6提供全局时钟&Y$即后文提到的H&W&Y信号%根据L R的值进行分频后!作为计数使能信号!控制计数器的扫描频率进而控制电机的转速&V M的值即每次计数的值!控制扫描D P=的间隔进而控制步距角的细分数&方向参数控制计数器的加#减计数进而控制电机的正#反转分频计数器扫描一周期后!输出一电机运行整步信号1-&8 9 5 U至整步信号处理模块!并于一周期内翻转两次电机绕组的开关控制信号.5 8 X 3 9 G 0#.5 8 X 3 9 G W整步信号处理模块由=V 6通过双向CP口0

11、K 3/预先写入电机需运行的整步数!并根据分频计数器输出的整步信号进行计数!同时=V 6可通过双向CP口0 K%-9读出当前整步信号的计数值当+台步进电机的整步计数值都与预先写入的值相等时!由输出信号%-99#触发=V 6片内定时计数器E#的中断分频计数器与整步信号处理模块都是运用硬件描述语言$5.3&%HQR S编写而成的在编程中!遵循业界的同步时钟原则!并将所有模块的输出都寄存器化!以提高L M NO的工作频率!这对设计做到时序收敛也是极有好处的系统相关部分波形仿真如图!所示为了将可逆循环计数寻址F M D P=的思想转变为体现运动控制系统的多用途特性可变细分控制策略!图中的时钟脉冲$&Y

12、%#计数参数$分频系数1 K*)(!计数权值 U)(%#地址输出$I 0*)(!I W*)(%等具体的步进电机控制参数!可根据用户的实际需要提供一定范围内的选择!这一点运用L M NO的)软件编硬件*的特点较为容易实现#(!顶层原理图在=O2TU&-8#中开发的一个项目必须创建一个顶层文件!在其中直接或间接调用了所有的底层文件!并定义各个模块之间的输入输出接口信号!以及模块间的调用关系!来实现复杂的逻辑(图!所示为部分L M NO片内电路的顶层原理图图中K 3 7+厦门大学学报$自然科学版%!#)*年!图!可逆循环计数寻址F M D P=仿真波形图!L 3 H !0 7 5 1%.4%1 :&

13、5%-/9F M D P=0 K K.5 8 8!图?!=O 2TU&-8#中的部分顶层原理图!L 3 H?!M 0.9%1 9%U8 G 5 4 0 9 3 +B的功能模块!实现地址译码图?中的Y 5:3/9 5.模块为键盘和中断接口电路!主要负责对按键输入信号进行可逆循环计数!并锁存=V 6的外部中断状态!以识别用户所选择的工作模式及暂停#关机#启动选中的工作模式等操作命令顶层原理图中惟一的双向C$P口O R%*)&是与=V 6的数据口O R%*)&相连!实现=V 6对L M NO片内所有输入#输出数据口的读写由于在L M NO内部只有输出三态逻辑引脚!没有输入三态逻辑引脚!因此不能直接实

14、现双向总线逻辑!否则在编译时会报错因此!在顶层原理图中调用了S M=6;E D C函数!即三态总线缓冲模块!将双向总线分解成输入O R C(%*)&#输出O R P6E%*)&两部分在该模块中!输入使能信号5/0 W&5 9.接$V V!长期有效 在=V 6的数据口被写为高电平即设为输入口时!输出使能信号O R P6EF(有效在顶层原理图中调用全局缓冲器N S P O S!将输入信号V S P V(由外接晶振产生的频率为#)=Q 的时钟脉冲)设置为全局时钟信号H&W*第#期!洪永强等 基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究所有功能模块的同步时钟信号的同时!H&W#!$美%科夫曼基于

15、$5.3&%H语言的实用L M NO设计=#张艳!沈树群!吴京松!译北京&科学出版社!#)!#!V G.3 8 9%U G;G%&L-/9 3%/0&K 5%4 U%8 3 9 3%/X 3 9 G0 U U&3 _*!#!R%/0&KF E G%4 0 8!M G 3&3 UD=%.W:E G 57 5.3&%HG 0.K X 0.5K 5 8 .3 U 9 3%/&0/H-0 H 5=#(5 9 G 5.&0/K 8&-X 5.O 0 K 5 4 3 A A?#!O.4 0/K%O 8 9 0.&%0!6/0 3 3 K 0.9 5!O 3 9%&-&%0 H 0 D 5%/1 3 H-.

16、0 W&54 3 .%8 9 5 U U 3/H%/9.%&%18 9 5 U U 5.4%9%.8-8 3/HL M NO5 4 W 5 K K 5 KD O=V#$E G 5#A 9 GO/-0&V%/1 5.5/5%1 9 G 5 C F F FC/K-8 9.3 0&F&5 9.%/3 8;%_#!R 0/3 5&V 0.3 0!=0.%8OL-/5 8!;5.H 3%ON%/0&5 (%7 5&8 9 5 U U 5.4%9%.%/9.%&5.W 0 8 5 K%/L M NOG 0.K X 0.5 3 4 U&5 4 5/9 0 9 3%/,#C F F FO;=FE.0/8 0

17、9 3%/8%/=5 G 0 9.%/3%&#)_#!*+,-./0 12 0 3-0/4 5 0/3 6 0 7 7+89:,3+;0 19 3+,+80/$%&QP(Na%/H I 3 0/H!S C(Q-0 J 3/H$R 5 U 0.9 4 5/9%1=5 G 0/3 0&0/KF&5 9.3 )?!V G 3/0%?,3 6 5 3&6 8 5 KL 3 5&KM.%H.0 44 0 W&5N 0 9 5O.0:$L M NO%!X 5U%8 5 K0X 0:%1.5 0&3 3/H8 9 5 U U 3/H4%9%.8 ZU-&8 5 K 3 8 9.3 W-9%.8 3/9 G

18、5=%9 3%/%/9.%&5 K;:8 9 5 4 E G 5K 5 8 3 H/X 0 8W 0 8 5 K%/9 G 5.5 I-3.5 4 5/9%1=-&9 3 U-.U%8 5 G 0.0 9 5.3 8 9 3 0/K9 G 54 5 9 G%K%1V:&5%-/9F M D P=O K K.5 8 8 :4 5 0/8%1 9 G 5Q 0.K X 0.5R 5 8 .3 U 9 3%/S 0/H-0 H 5$5.3&%HQR S0/K 9 G 5K 5 7 5&%U 3/H8%1 9 X 0.5=O 2TU&-8C C!X 5.5 0&3 5 K8 5 7 5.0&8 9 5

19、 U U 5.4%9%.8 ZU-&8 5 K 3 8 9.3 W-9%.8 3/0 G 3 U%1L M NO E G 5U-&8 5 K 3 8 9.3 W-9%.8 9%Y G 0.H 5%1 9 G 5%K 5H 5/5.0 9 3/H0/K%-9 U-9 E G 54%8 9%1=V 63/9 5.1 0 5 3.-3 9 8X 5.50&8%3/9 5 H.0 9 5 K3/L M NO!3/&-K 3/H9 G 5K 5%K 3/H 3.-3 9!9 G 5Y 5:W%0.K3/9 5.1 0 50/K9 G 5 3/9 5.-U 9 3/9 5.1 0 5 C 94 0 Y 5

20、 8 9 G 5 8%1 9 X 0.5 8 9.-9-.5 0/K 9 G 5U 5.3 U G 5.0&%1=V 6W 5%4 5H.5 0 9&:8 3 4 U&3 1 3 5 K E G 5K 5 8 3 H/U.%7 5 K08:8 9 5 4%/7 5/3 5/9 9%5 J 9 5/K!9.0/8 U&0/9 0/KX 3 9 GX 3 K 50 K 0 U 9 0 W 3&3 9:+:A 0 6 8,&8 9 5 U U 3/H4%9%.(4 3 .%8 9 5 U%/9.%&(L 3 5&KM.%H.0 44 0 W&5N 0 9 5O.0:$L M NO%(Q 0.K X 0.5R 5 8)厦门大学学报$自然科学版%!#)*年