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基于FPGA的步进电机正弦波细分驱动器设计

宣布时间:2010年08月02日 23:08    宣布者:conniede
要害词: FPGA , 步进电机 , 驱动器 , 正弦波
1 弁言

步进电机是一种将电脉冲旌旗暗记转换成照顾的角位移(或线位移)的电机元件,具有结构质朴稳固耐用使命可靠的优点是以普遍应用于工业控制领域。由于脉冲的不一连性又使步进电机运转存在许多缺乏的地方,如低频振荡、噪声年夜、分辨率不高及驱动系统可靠性差等,严重制约了其应用规模。步进电机的细分控制有用地处置赏罚赏罚了这一效果,然则传统的步进电机驱动系统年夜多数接纳的是用单片机作为控制芯片,外加分立的数字逻辑电路模拟电路组成。受单片机使命频率的限制,细分数不是很高,是以驱动器的控制精度较低,控制性能不是很理想。随着高性能数字旌旗暗记处置赏罚赏罚器DSP的泛起,以DSP为控制焦点,以软件要领完成电机控制一度成为研究的热门。近年来随着可编程逻辑器件的飞速生长,使得可编程逻辑器件功效愈来愈强年夜从而促使高集成化高精度驱动器的泛起。是以本文提出了一种基于SOPC片上可编程的全数字化步进电机控制系统,本系统是以FPGA为焦点控制器件,将驱动逻辑功效模块和控制器告成地集成在FPGA上完成,充实验展了硬件逻辑电路对数字旌旗暗记高速的并行处置赏罚赏罚才干,可使步进电机绕组电流细分到达4096,且细分数可以自动调治,极年夜地前进了控制精度和驱动器的集成度,减小了驱动器体积。

2 步进电机细分驱动原理

步进电机的细分控制本质上是对步进电机励磁绕组中的电流阻拦控制,在浅易驱动要领下,驱动电路只是经由历程对电念头绕组激磁电流的“开”和“关”,使步进电念头转子以其自己的步距角分步改变。步进电念头靠定子、转子磁极间的电磁力来阻拦使命,当它处于“双拍”状态使命时,其定位职位是正好位于两通电磁极的中央,即依附两通电磁极电磁吸引力的平衡而取得的。由此可以推论:假定能够进一步仔细地控制两磁极电磁吸引力的年夜小,使转子磁极取得更多种由于两相定子磁极的电磁吸引力差异而组成的平衡定位职位。步进电机细分驱动要领就是应用了这一原理,在细分驱动时,细分控制器经由历程控制各相激磁绕组电流的徐徐增年夜及徐徐减小,让转子处于多个磁力平衡状态使电机外部的剖析磁场为匀称的圆形改变磁场,完成步距角变小、电念头的改变取得细化的目的。剖析的磁场矢量的幅值决议了电机改变力矩的年夜小,相邻两个剖析磁场矢量的夹角年夜小决议了该步距角的年夜小。关于三相步进电机而言,向A、B、C绕组划分通以相位相差2/3π,而幅值类似的正弦波电流(图1),则剖析的电流矢量在空间做幅值恒定的改变运动,其对应的剖析磁场矢量也作照顾的改变从而组成改变力矩(图2)。

A、B、C三相瞬时电流值如式(1)、(2)、(3)所示。
(1)
(2)
(3)

图1 步进电机正弦细分三相绕组电流波形图


图2改变力矩图
  
细分驱动要领下,由于步距角小,步进电机的控制精度显着前进,同时这类驱动要领又有用榨取低速运转中发生的噪声和振荡情形。

3控制器全体设计妄图

步进电机三相绕组的电流是正弦蹊径电流,经由历程改变给定电流的每次变换的蹊径数可以完成可变细分功效。驱动器的义务就是控制绕组的电流,使之按正弦蹊径波的纪律变换。每给一个步进脉冲,A、B、C三相绕组的电流沿正弦蹊径波前进一步,电机迁徙改变一个步距角。步进电念头驱动主回路图如图3所示IA、IB为两个霍尔元件。图中6个IGBT集成在电源控制模块IPM内。


图3步进电念头驱动主回路图
  
步进电机控制系统框图如图4所示。接纳FPGA作为主控制芯片,将控制器与驱动器的数字电路部门集成在一片FPGA上完成。为了控制绕组电流,在设计中引入电流跟踪型闭环反映,反映电流与给定的正弦电流(聚会的正弦表)经由刷新的比例积分PI调治落先行SPWM调制,输入6路PWM波,来控制驱动电路三个桥臂上的6个IGBT守旧关断。假定忽视去世区时间控制每个桥臂的曲折半桥的两路PWM波互补即上半桥PWM波为高/低电寻常浅易,下半桥PWM波为低/高电平。系统接纳14位宽度200MHz计数器发生PWM载波,载波频率12.2KHz,电流数据所有接纳14位精度阻拦聚会化。200MHz时钟由50MHz时钟经PLL倍频发生。FPGA输入的PWM波经功率模块镌汰年夜后,控制步进电机运转。步进电机运转状态(转速和转向)经由历程LED指导。步进电机转速是由查表速率决议的,CP是用来决议查表频率,在细分品级一定的情形下CP速率越高电机转速越快。假定电机在高细分下高速改变则CP脉冲频率就会很高,招致PWM脉宽太小,使功率模块IGBT控制桥臂频仍开关,其效果是开关消耗年夜为增添,功率模块过热。而高细分在步进电机高速改变时其优势着实不显着,以是在不影响电机运转精度的情形下,系统凭证转速对细分精度在4096、2048、1024、512、256、128、64、32之间自动调治,使电机加倍结实可靠的运转。


图4 控制系统框图

3.1FPGA结构设计

本系统是由集成在系统接纳据理化开发要领,顶层模块由多个子模块组合而成,FPGA设计系统框图如图5所示。系统由NiosII微处置赏罚赏罚器模块和数字逻辑模块组成。


图5 FPGA设计系统框图
  
控制器采NiosII的32位CPU软核,由SOPCBuilder天生。用来吸收外界控制旌旗暗记并把旌旗暗记处置赏罚赏罚后送给脉冲发生器,并经由历程输入端口控制LED来指导系统使命情形。系统顶层设计图如图6所示,系统由CPU软核(stepmotor_controller、CP发生器(PatternGenerator)、正弦查表控制模块(interface)、A/D电流采样模块(currenttop)、C相电流盘算模块(Current_c)调治模块、PI调治模块(pimodule)、PWM发生模块(PWM)组成,各模块功效以下:

CPU:吸收外界控制旌旗暗记把旌旗暗记处置赏罚赏罚后取得照顾的细分品级和与速率对应的控制旌旗暗记送给CP发生器,把转向旌旗暗记处置赏罚赏罚后送到查表控制模块,并把转速和转向旌旗暗记送到LED数码管和发光二极管来指导电机运转情形;

CP发生器:吸收转速控制旌旗暗记收回与转速相对应的CP脉冲并给出照顾转速下对应的最好细分品级;
正弦查表控制模块:凭证CP脉冲和细分品级阻拦查表发生参考电流,凭证转向控制旌旗暗记来决议查表偏向来完成转向控制;

A/D电流采样模块:搜集步进电机A、B两相电流值;

C相电流盘算模块:凭证基尔霍夫电流定律A、B、C三相电流之和为零,由A/D搜集的A、B两相的电流盘算出C相电流;

PI调治模块:将参考正弦电流与反映电流差值阻拦PI调治,把调治后的控制旌旗暗记,为了防止IPM内曲折半桥的IGBT同时导通,招致IPM短路,PI模块内设置的了去世区时间。


图6 系统顶层设计图
  
顶层接口诠释:
AD_in_a、AD_in_b是AD1674转换输入的数字旌旗暗记;
AD_CE、AD_RD、AD_STS为AD的控制旌旗暗记;
clk、reset划分为系统时钟输入端口和系统复位端口;
enable端口是PWM发生器使能端,功率模块温度太高热掩护就会行动将enable置0阻拦收回PWM波,掩护驱动器;
setspeet、rotate_dirc划分为转速和转向控制端口;
led_sel、speeddisplay、led_indicator为使命情形指导电路;
pl_a、ph_a、pl_b、ph_b、pl_c、ph_c为A、B、C三相桥臂的曲折半桥控制端;

3.2NiosII软核设计

在本控制器中应用CPU控制无邪的功效用来吸收并处置赏罚赏罚外界控制号再将处置赏罚赏罚过的控制旌旗暗记送到各个功效模块,是以NiosII软核接纳了经济型即NiosII/e,加入了用于输入输入端口(PIO)、片上存储器模块(OnchipMemory)。控制器法式模范模范流程图软件法式模范模范使命流程如图7所示。


图7CPU控制流程图
  
CPU外部法式模范模范接纳C++语言编写,并对电机的控制状态培植类。经由历程对电机的控制状态工具的操作,便可输入种种控制敕令到接口模块和CP脉冲发生模块,控制电机状态;同时在法式模范模范主循环中监视用户的种种输入,更新电机的控制状态工具的成员变量。

3.3CP发生器模块和查表控制模块

PatternGenerator模块凭证设置的电机转速发生照顾的CP脉冲和在该转速下的最合适的细分品级,并把这些旌旗暗记传送给查表控制模块。CP发生器模块和查表控制模块如图8所示。


图8CP发生器模块和查表控制模块
  
查表控制模块(interface)外部例化了一个只读存储器,存放一个周期的正弦数据表。正弦表数据宽度与系统数据流数据宽度不合,是以选择14位宽度。正弦表深度决议了驱动器的最年夜细分品级,关系式体现为:NMAX=2N,当N=12时,到达最高细分品级4096细分。外部输入CP和CCW旌旗暗记后,经由过法式模范次的给出三相绕组对应的地址数据,便可查得三相相电流的给定数据,并同时更新三个给定数据存放器,送入下一个环节。转向交流也在本模块完成。输入的CCW旌旗暗记将控制一个路选择器,控制正弦表的查表偏向来改变步进电机转向。本模块经由历程输入的细分品级旌旗暗记和CP脉冲旌旗暗记合营决议三相绕组的地址数据的每次增量年夜小。当细分品级最高时,地址计数器每次增1或减1;当处于非最高细分精度时,地址计数器每次递增2的N次幂,N由以后的细分品级一定。

3.4AD采样模块与C相电流盘算模块

步进电机A、B两相电流通过霍尔元件阻拦搜集,AD采样模块经由历程搜集采样电阻上的电压来将电机A、B两相电流的模拟量转换为数字量,C相电流模块由基尔霍夫电流定律ia+ib+ic=0盘算取得。图9为两模块的端口。


图9AD采样模块与C相电流盘算模块

3.5PI调治模块

PI调治模块是对给定数据和反映数据阻拦聚会化PI调治。模块的数据宽度统一为14位,即给定数据/反映数据/控制数据都用14位宽度无符号整型数据体现。本模块完成一个PI控制器功效,如图10所示。


图10 PI控制逻辑框图

PI调治聚会化公式如(4)式所示。

I(K)=I(K-1)+KP*(E(K)-E(K-1))+KI*E(K)              (4)

其中,1500≤I(K)≤14384,I(0)=8192,E(K)=IREF-IOUT

模块在收到启动旌旗暗记后,先存放给定数据/反映数据,再对二者扩宽符号位做有符号减法,并启动KI乘法器盘算KI乘以误差e的效果。对减法的盘算效果取相对值,并与阀值作较量(常数较量器),较量的效果存入存放器。盘算e的误差增量,即E(K)-E(K-1),并用KP乘法器盘算KP乘以误差增量的效果。将KI乘法器盘算的效果先送入累加器,然后再将KP乘法器盘算的效果送入累加器;模块的累加器在每次累加的时间会阻拦溢出处置赏罚赏罚和数据超出界线处置赏罚赏罚,岂论哪一种情形都邑置为界线值(最年夜/最小值)。

3.6PWM发生器模块

PWM发生器模块将PI调治后输入的数据转化为PWM波形输入给IGBT模块,经由历程IGBT的通断切换调剂相电压,进而改变相电流凭证给定阻拦变换。PWM波形的天生是经由历程将给定控制数据和载波数据较量,经由历程较量二者年夜小情形一定PWM的曲折电平,完成PWM调制,如图11所示。


图11 PWM模块全体框图
  
锯齿波作为PWM载波,驱动时钟频率为200MHz,14位存放器宽度。为增添计数器的进位链长度,接纳计数器,拆分为3位计数器和11位计数器,增添了组合逻辑延迟。去世区掩护发生器模块凭证给定的去世区长度数据,将输入的PWM旌旗暗记输入为PH和PL旌旗暗记,划分对应IGBT的曲折桥臂,并在PH和PL数据的变沿拔出去世区掩护(同时置为低电平)。拔出的去世区掩护是经由历程上升计数器和降低计数器来完成的,保证上桥臂和下桥臂不应时导通。

4 仿真
  
对PWM模块阻拦功效仿真,仿真波形如图12所示。经剖析,六路PWM波知足时序和去世区掩护的请求,完成了设计所要到达的目。将图12阻拦镌汰年夜可见IGBT去世区如图13所示。


图12PWM功效仿真波形


图13IGBT控制旌旗暗记去世区

5 电机运转波形及剖析

把FPGA装备好以后,对系统调试电机运转时三相电流波形如图14所示,电机换向时阻拦反转查表,电机转速反转波形如图15所示。


图14步进电机运转时三相电流


图15步进电机反转时电流波形
  
实验效果注解步进电机运转时三相电流相位差120度,三相电流为正弦波,电机运转结实,电机反转时阻拦反相查表,转换偏向时回声时间短,电运摇动小。

6 结论

本控制器接纳Altera公司嵌入NiosII处置赏罚赏罚器软核的FPGA完成了步进电机正弦波可变细分控制,年夜年夜前进了系统的可靠性,降低了设计资源。

控制部门接纳NiosIICPU软核是系统控制加倍便利无邪。CPU和各个控制模块集成在单片FPGA内,使驱动器集成度年夜为前进,减小了驱动器的体积。年夜年夜前进了细分精度,完成了步进电机在是低转速下的4096高细分的运转,扫除步进电机存在的低频振荡效果,控制精度显着前进,在高周详数控机床中有普遍的应用远景。
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