基于sopC的四相步进电机均匀细分驱动器的实现

基于SOPC的四相步进电机均匀细分驱动器的实现 周磊，成开友 (盐城工学院电气工程学院 盐城，224051) 摘要：摹于FPGA的步进电机细分驱动器，均采用计数值和ROM中预先存放的控制PWM波形的数据进行比较的 方式来输出所需的P■M波形，其缺点是限制了细分步数的提高。设计采用NiosII软核处理器配以PwM组件，通过控 制组件的占空比寄存器，来输出两路占空比分别按正余弦规律变化的PWM波形来实现四相步进电机的均匀细分驱 动器。此基于SOPC的均匀细分驱动器可以实现10240、5120、2560、1280、640、320、160、80、40、20步均匀细分，并 实现最大可调步进间隔时间为59分59秒999毫秒。 关键词：SOPC；PWM；细分驱动．四相步进电机 Ab醴嘣：Allevensubdivideconu：ollcrbasedonFPGAadoixthewaywhichcolnImmsthevalueofcounterwiththepre-stomddata intheconm)lofthePWMwaveforminROMtooutputrelativePWMwaveform,andit'sdisadvantageisthatitsrestrictionsOtlthe numberofsubdividestepoftheimprovemmLUsingNiosIIsoft-coreprocessorswithPWMcomponct峨bycontrollingthedataofduty cycleregisterchanginginlhclawofthecosineandsinewave，systemachievestheevensubdivideconlrolleroffour-phasestepping motor,Thisevellsubdivideomm)llerbased011SOPChasachievedthemnnberofsubdividestep：10240,5t20,2560,1280-40,320,160, SO,柏，20；andnchieved蛐p喇ustablemaximumtimeof59m慨sand59seconds锄d999mmSeconds． Key啪rds：SOPC：PWM：Divideddriving；Four-r岫St印r,ingm啪皤 中图分类号：TP331．1 文献标识码：8 文章编号：1001-9227(2009)05-0115-03 O 引言 步进电机在各种自动化控制系统和精密机械等领域 应用广泛，其本身接受数字脉冲控制。基于FPGA的步进电 机细分驱动器，均采用计数值和R0M中预先存放的控制 PWM波形的数据进行比较的方式来输出所需的P-M波形， 其缺点是限制了细分步数的提高。采用专用芯片控制存在 灵活性差的缺点。 SOPC(ProgrammingSystemOnChip，片上可编程系 统)技术做为Altera公司推出的一种SOC(SystemOilChip， 片上系统)解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，以其特有的软硬件系统可裁减、实 现容易、成本低、集成度高等特点显现了强大的生命力。 设计采用SOPC技术实现了四相步进电机的“电流矢量恒 幅均匀细分旋转”细分驱动控制。 ' 步进电机细分驱动的基本原理 步进电机的细分驱动主要就是控制备相激励电流并 产生相应的磁场矢量来实现的。激励电流按阶梯变化实现 的就是虬一相绕组电流线性变化”的细分驱动(图1)：激励 电流按正弦规律变化实现的就是“电流矢量恒幅均匀细分 旋转”的细分驱动(图2)。图1、2中矢量TA、TB为步进电机 A、B两相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量；TAB是步 收稿日期：2009—02—23 作者简介：周磊(1980一)，男，助教，硕士，从事EDA技术应用 的研究． 进电机AB两相同时通电时产生的合成磁场矢量。图1、2只 画出了四分之一周的矢量图，其余四分之三周的与此相 似。 由图1可见虬一相绕组电流线性变化”的细分驱动由 于相电流变化简单，故而控制电路结构简单、实现容易。 缺点是磁场矢量不是等幅，且步进角不均匀，降低了步进 电机的线性定位精度。由图2可见“电流矢量恒幅均匀细 分旋转”的细分驱动完全克服了n。相绕组电流线性变 化”的细分驱动的缺点。 { 人／ r／／ ／y／。／，／ l，|j7∽乏／骅／／L一一巴：=一 图1一相“绕组电流线性变化”细分驱动原理图 ． T． 图2 “电流矢量恒幅均匀细分旋转”细分驱动原理图 115万方数据 2 系统的硬件设计与实现 为了实现图2所示的细分驱动，要求四相步进电机A、 B两相的激励电流f．、f。分别按 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (1)(2)变化，护为磁场 矢量和B相磁场矢量之间的夹角即： ‘=％×sinO (1) iB=乙xcosO (2) 对步进电机一般都是通过PWM电压脉冲来控制的。电 机线圈对PWM电压脉冲具有平滑作用，线圈中的电流f，和 输入电压“，关系为： 1 广 t=7I毗dt (3) L’ 公式(3)说明，在理想情况下，电机的相电流是输入 电压的积分。当输入为周期性的PWM电压脉冲时，单周期 电机相电流的大小与该周期矩形脉冲的面积成正比。因 此，要想得到公式(1)(2)的相电流，就要求A、B两相的PWM 的矩形脉冲面积按正余弦规律变化。PwM波形是幅值不变 的矩形脉冲，因此只要控制PWM波形的占牢比按照正余弦 规律变化即可。由图2可知，系统需要同时输出两路PVM波 形，因此系统的硬件部分由NiOS II软核CPU配以相戍的 输入和显示接口IP核，然后添加两个基于Avalon总线接 口的VHDL编写的PWM组件即可。磁场矢量每转过四分之一 周后需要对步进电机进行换相控制。PWM组件的原理框图 如图3所示，周期寄存器控制PVM波形的频率，占窄比寄存 器控制PWM波形的占空比，控制寄存器控制PwM组件是否 输出波形。系统的硬件框图如图4所示，最终利用QuartuS II(SOPCBuiIder)在EPIC60240C8中得以实现系统的硬件 部分。 卜 周期寄存器斑l仳kJivide．ng)； 、、 Avalon总线接口、 ：占空比寄存器(du勺_cycIt-r％)， ∥ ：控制寄存亲ico⋯ntr⋯ol⋯_研 图3 Pgg组件原理框图 2 116 图4系统硬件框图 3 系统的软件设计与实现 系统的软件部分采用可移植、固化和裁减的占先式 实时多任务嵌入式系统一MicroC／OSII。为了能得到两 路占空比分别按正余弦变化的PWM波形，综合考虑了PWM 波形的频率对步进电机运行的影响以及采样位数和深度 对PwM波形频率的影响，折衷确定了PWM占空比采样深度 为15位，四分之一。周期的正弦波采样点数为5l3点，单区 间磁场矢量细分步数为5l2步，那么转子齿数为5个的四 相步进电机最大的细分步数可以确定为10240步。 厶(D=2'Sxsin‘赢×f)i=0，1，⋯·512(4) 允(f)=厶(512一f)i=0，1，2，⋯．．512(5) 厂．． 厶聊=等 (6) 五附：P硼波形的频毫厶：NlosII系统的时钟频率，设 定为1OOMHz；CR：周期寄存器值，由于采样深度为15位，相 应的采样最大值为215—1，故而CR的值就设定为采样最大 值。PWM波形占卒比数据按照公式(4)进行采样，PWM波形 频率按照公式(6)进行计算出约为3．05kHz。 系统以全局变量s-in—COS[513]来存储PWM占空比正弦 数据，余弦的数据町根据公式(5)来得到。系统编写了五 个进程：初始化进程initia1ize—task；键盘处理进程 key—do：步进间隔时间修改进程time—interval—do；占窄 比取值步数修改进程step—change；修改PWM组件占空比寄 存器进程pwm—do—fiX。邮箱lllail_send—pwm—date负责 keY—d0进程和SteP—Change进程之间的通信， mail—subdivide—tran邮箱负责Step—change进程和 pwm．dofix进程之间的通信。 图5细分步数为320步时步进电机连续运行的仿真波形 4 仿真结果与分析 设计实现320步细分时步进电机连续运行的ModelSim 仿真结果如图5所示。A相和B相的PWM波形完伞符合公式 (1)(2)的要求。 5 结论 系统最终实现了基于SOPC的四相步进电机均匀细分 驱动器10240、5120、2560、1280、640、320、160、80、40、20 步可调，并实现最大可调步进问隔时间为59分59秒999毫 秒。经过简单的调整，利用同样的思路完全可以实现对任 意步进电机细分控制。而在实际应用中可以通过对占空比 数据的修改来实现对步进电机的最优控制。其中最大的细 万方数据 !自动丝量丛墨堡垂2兰QQ2生箜§塑!望筮!垒墨塑2 分步数对步迸电机以及功率驱动器件有特殊的要求才能 2004 达到。 3 JEANJ．LABROSSE[著]，邵贝贝[译]．“C／OS—II一源码公开的 实时嵌入式操作系统EM]．中国电力出版社，200I 参考文献 、4郭书军等．嵌入式处理器原理及应用-Nios系统设计和C程序设 I 潘松，黄继业．EDA技术与VHDL[M]．北京：清华大学出版社，计[M]．北京：清华大学出版社，2007 2007：357～365 5 王宗培．步进电动机及其控制系统[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学 2 潘松，黄继业等．SOPC技术使用教程．北京：清华大学出版社， 出版社，1984 (上接第73页) 剧增加时，它们两端的电压却不迅速增加，所以能使传输 图l 当信号之间由于相位移而感应异常电压时，齐纳二 极管ZDl和ZD2能够将该电压限制在约50V，从而保护了变 送器不受损坏。 浪涌保护电器元件从响应特性来看，有软硬之分。属 于硬响应特性的放电元件有气体放电管和放电间隙型放 电器，二者要么是基于斩弧技术(Arc-chopping)的角型 火花隙，要么是同轴放电火花隙。属于软响应特性的放电 元件有压敏电阻和抑制二极管。所有这些元件的区别在于 放电能力、响应特性以及残余电压。由于这些元件各有优 缺点，人们将其组合成特殊保护电路，以扬长避短。 压敏电阻其功能相当于很多串联和并联在一起的双 向抑制二极管，工作原理如同与电压相关的电阻。电压超 过规定电压，压敏电阻可以导电；电压低于规定电压，压 敏电阻则不导电。这样压敏电阻可起到很好的电压限位作 用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在毫微秒范围下 段。 2 浪涌保护器的选择、日常检查及维护 2．1选择和安装浪涌保护器 测量和控制单元通常比电源供应系统对浪涌过电压 的反应更加敏感。在选择和安装浪涌保护器的时候下面的 几个因素必须要考虑。 2．1．1电压等级的选择 通信线浪涌保护器的最高工作电压的选择，是依据 通信线的工作电压来确定，浪涌保护器的最高工作电压必 须大于通信线的．1：作电压的1．2倍。例如MTL公司的与变 送器专用的TP48型浪涌保护器的最高工作电压为48V。 2．1．2速率匹配的选择 通信线浪涌保护器安装在线路上时，其支持的最高 传输速率应大于通信线的传输速率，否则将导致通信中断 或识码率增加等状况。 2．I．3接地和等电位连接 根据感应定理，电感量越大，瞬变电流在电路中产生 的电压越高。由U=L×di／dt可知，电感量大小主要和导 线的长度有关，与导线截面关系不大。因此，应使接地导 线尽可能的短。 浪涌保护器的接地线必须和设备的接地或系统保护 接地可靠的连接。如果系统存在雷击保护等电位连接系 统，浪涌保护器的接地线最终也必须和该等电位连接系统 可靠的电气连接。每一个局部的等电位排(例如：电路中 的PE排)都必须和主等电位连接排可靠电气连接，连接线 径必须满足接地线的最小截面要求。 2．2日常检查和维护 如果浪涌保护器的元器件包含有压敏电阻时，必须 有工作状态指示，用于浪涌保护器的老化指示，保护器的 状态指示需要进行日常检查，特别是在雷雨季节之后，如 果指示器从绿色变成红色，则保护模块必须尽快更换。 基于气体放电间隙原理而设计的浪涌保护器，在设 计上已考虑高能量和机械压力的因素，因为在频繁的雷击 放电中，浪涌保护器的内部器件会发生变化，这样就会影 响到浪涌保护器的保护特性。一般，对放电间隙型浪涌保 护器需要在2～4年或在直接雷击发生后进行检测。 参考文献 I 电子设备的雷电及过电压保护 2 建筑电气设备 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 下 一 117万方数据