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分析步進電機 完成控制系統的方案設計

電子設計 ? 作者:工程師之余 ? 2018-10-07 10:10 ? 次閱讀
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此文介紹了步進電機的控制原理,利用脈沖疊加原理,以Verilog HDL為實體設計輸入,設計并實現了一套集成于FPGA內部的步進電機控制系統。該系統可以控制步進電機實現定速、加速、減速,且速率和加速度都能做到連續可調等功能。該方法具有設計簡單靈活,體積小,系統穩定等優點,可用于辦公自動化(Office Automation)、工廠自動化(Factory Automation)和計算機外部設備等場合。

步進電機又稱脈沖電動機,由于其具有易于精確地控制機械的移動量的優點,步進電動機已 經能與直流電動機、異步電動機、以及同步電動機并列,成為電動機的一種基本類型。步進電動 機在辦公自動化(Office Automation)、工廠自動化(Factory Automation)和計算機外部設備等領域中 廣泛地使用。

步進電機控制系統的設計方法主要有模擬控制方式及數字控制方式,其中數字控制方式又可 分為小規模數字電路控制電路單片機控制電路以及專用邏輯電路等控制方式。模擬控制方式的 控制精度較低,抗干擾能力差,且不易用計算機控制。因此現在步進電機控制系統的設計主要利 用數字控制方式。但是小規模數字電路控制電路的體積較大,單片機控制電路的系統穩定性不高, 而專用邏輯電路的價格又偏高。對此,本論文提出了應用靈活的硬件描述語言Verilog HDL,設計 并實現了一套集成與FPGA 的高精度步進電機控制系統。經過試驗和測試,該控制系統可以控制 步進電機實現定速、加速、減速,且速率和加減速度均連續可調等功能。系統除了具有控制精度 高和穩定性強等優點外,還具有體積小、簡單靈活、且成本低廉等優點。

1.步進電機控制理論

1.1 控制原理

步進電機是由電脈沖信號控制的機電執行元件,其控制原理如圖 1 所示。由圖1 可以看出, 步進電機的總旋轉角度與輸入脈沖總數成正比,而步進電機的轉速與每秒的輸入脈沖數目(脈沖速率:Pulse rate)成正比。

分析步進電機 完成控制系統的方案設計

圖 1 所示的為輸入脈沖與旋轉角之間的關系(注:CW 方向:順時針方向;CCW 方向:逆時 針方向)。通過步進電機控制原理可以得出結論:設計步進電機控制系統的實質就是設計脈沖信號 產生模塊輸出電機的控制脈沖。

1.2 控制脈沖發生器

步進電機控制系統的設計關鍵是設計產生控制步進電機的控制脈沖發生器。在設計中,應用 脈沖疊加原理產生所需的控制脈沖,即:利用各種不同頻率的脈沖疊加來獲得控制系統所需要的 各種連續可調的不同頻率值的輸出脈沖。設計過程中用一個16 位的計數器來獲得不同頻率的脈沖 信號,且要求不同頻率的輸出脈沖之間不能重疊。16 位計數器的16 種不會重疊頻率狀態具體如表 1 所示。

分析步進電機 完成控制系統的方案設計

有了16 種不同頻率而且互相不重疊的脈沖后,就可以從中提取幾種來進行疊加,從而得到所 需的連續可調的輸出脈沖。由16 種不同頻率的脈沖來疊加成0~65535pps(pps:pulse per second) 中任何頻率的輸出脈沖的原理見下面的公式。

分析步進電機 完成控制系統的方案設計

從上圖可以看出,只要將脈沖速率的二進制數值寫入16 位寄存器,就可以得到相應速率的輸 出脈沖。

2.系統設計

系統設計的總體框圖如圖 3 所示。步進電機的控制系統主要由兩個部分組成,即:脈沖產生 模塊及其控制模塊。

分析步進電機 完成控制系統的方案設計

2.1 脈沖產生模塊

脈沖產生模塊是步進電機控制系統的核心部分,該模塊由 16bit 計數器、16 種頻率的脈沖產 生模塊和脈沖疊加模塊組成。在由16bit 計數器計數分頻產生16 種頻率信號后,根據表1 所示的 不重疊條件產生16 種脈沖,最后根據脈沖疊加原理,利用脈沖疊加模塊疊加出連續可調的脈沖控 制信號。其原理框圖如圖4 所示。

分析步進電機 完成控制系統的方案設計

2.2 控制模塊

步進電機控制系統的控制模塊的主要功能是處理控制系統接收外部信息,如復位信號、電機 轉速等信息、控制系統的核心-脈沖產生電路產生控制步進電機的脈沖信號以及系統輸出脈沖的總 數和速度。控制模塊主要由頻率產生模塊,總輸出脈沖數控制模塊和每秒輸出的脈沖個數寄存器 更新模塊構成。其原理框圖如圖5 所示。

分析步進電機 完成控制系統的方案設計

3.系統檢驗與測試

在完成系統設計后,應用Quartus Ⅱ軟件對系統的功能進行了在線仿真,觀察仿真后輸出的 控制脈沖信號,調試結果顯示基本正確。將該系統的程序燒錄到FPGA 芯片-EP1C3T144C8 后, 連接步進電機實際控制其定速、加速、減速轉動。試驗顯示,控制系統控制精確,且速率和加減 速度都能做到連續可調。

4.結論

經過多次系統改進后,論文設計的步進電機控制系統具有較高的控制精度和系統穩定度。且 由于該系統使用了集成芯片作為系統載體,相對于傳統的控制設備,具有體積小、靈活性強、且 價格低廉等優點。

本文創新點:該方法具有設計簡單靈活,體積小,系統穩定等優點,可用于辦公自動化(Office Automation)、工廠自動化(Factory Automation)和計算機外部設備等場合。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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