毕业设计（论文）-基于CPLD的步进电机的设计.doc

2012 届毕业设计任务书 一、课题名称： 基于 asic 芯片步进电机控制器设计 二、指导老师： xx 三、设计内容与要求 1、课题概述 步进电动机的技术已很成熟，特别适合于小功率开环定位系统，至今还没有能取 代它的更适合产品，今后将继续稳步发展和完善化在功率稍大和要求高响应高速度 的系统，则更多地让位给交流伺服系统。在现代工业控制和医疗器械中广泛的使用， 但是目前主要是应用单片机进行时序控制，在应用现成的驱动器，这样势必会提高仪 器仪表的成本和使用范围，本毕业设计针对 asic 芯片来进行一个三相步进电机控 制和驱动系统，系统结构简单，体积小，成本低，移植性强。 2、设计内容与要求 （1）.确定设计方案，绘制方框图； （2）.设计各部分电路，要求在一片 asic 芯片上实现主控制功能，驱动电路可另 行设计实现，在保证实现基本功能和主要技术指标的前提下注意降低成本， 以获取较高的性价比； （3）.分析各单元电路的工作原理和特性； （4）.画出整机电路图，用 quartus ii 软件仿真所有子电路，并并在实际电路板 上调试实现功能，说明电路调试的基本方法； （5）.要求设计键盘控制功能具有启动/停止、连续/单步、正转/反转、8 档加速/8 档 减速等功能，且能消除键盘抖动。 （6）.可以使用矩阵键盘或者独立键盘。 3、技术指标： （1）.芯片选择：cpld 中的 max ii 某种芯片； （2）.步进电机：三相步进电机； （3）.驱动功率：加驱动芯片 uln2003 达 5w； （4）. 逻辑工作电压：dc5v，驱动电压 12v （5）.步进精度或角度：3 （6）.使用环境：-2085 （7）.要求控制与驱动之间加 四、设计参考书及参考网址 1、潘松主编 eda 技术与 vhdl，清华大学出版社 2、唐亚平主编 eda 技术应用，化学工业出版社 3、宋振辉主编 eda 技术与 vhdl，北京大学出版社 4、徐志军 王金明 尹廷辉编蓍 eda 技术与 vhdl 设计，电子工业出版社 5.参考网址：/等 五、设计说明书要求 1 封面 2 目录 3 内容摘要(200400 字左右，中英文) 4 引言 5 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计 结果的说明及特点） 6 结束语 7 附录(参考文献、图纸、材料清 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） i 摘 要 步进电机是在工业生产以及一些智能仪器上应用十分广泛的一种设备。控制步 进电机需要为其输入脉冲信号,脉冲信号的频率控制步进电机的转速,脉冲信号的个数 又控制着步进电机的转角。常见的步进控制系统需要 pwm 模块和脉冲计数器,存在 增加单片机软件开销以及不能产生高频率多个数的脉冲等缺陷。本文研究了一种基于 cpld 的步进电机控制器,采用 verilog hdl 语言设计,主要由 pwm 输出模块和脉冲个 数计数模块2部分构成。控制单片机只需要先对 pwm 波形频率数据寄存器、pwm 波 形占空比数据寄存器以及脉冲个数数据寄存器进行设置,最后再往使能寄存器中写入 “1“,cpld 就可以输出指定频率,指定占空比和指定个数的脉冲波形,而不需要单片机参 与。该步进电机控制器减小了单片机的软件开销,降低了系统成本,提高了可靠性,有一 定的实用价值。 步进电机最早是在1920年由英国人发明。至此步进电机的控制技术在国外经历了 90多年的发展，产品制造技术和控制技术都有很大的发展。随着信息技术和数字控制 技术的发展，在发达国家如日本、韩国、美国等对步进电机的控制已实现数字控制。 而在我国，步进电机研制与1958年，且无专门的研制机构，步进电机基本上处于仿造 阶段。直至60年代末，为满足数字控制线切割机床发展的需求，才使得步进电机的研 究工作才有突破性发展。目前我国对步进电机的控制技术的研究还处于较低水平。步 进电机发展的趋势是数字化的控制。因此研究步进电机的数字控制对我国步进电机发 展，具有重大意义。 关键词：asic、vhdl、 cpld、步进电机 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） ii abstract stepping motor is in industrial production and some intelligent instrument used widely on a device. controlling the step motor for the input to the pulse signal, the pulse signal frequency control stepping motor speed, the number of the pulse signal and control the stepping motor of the corner. common stepping control system need pwm module and pulse counter, there are increasing single-chip microcomputer soft ware spending and cannot produce high frequency more digits defects such as the p ulse. this paper based on cpld stepping motor controller, the verilog hdl langua ge design, and the main output module and pulse pwm number count module 2 par ts. single chip microcomputer control only need to first pwm waves frequency data registers, pwm waves than data of empty registers and pulse data register number s et, and finally to go to make can register written into “1“, cpld can output design ated frequency, designated occupies emptiescompared specified number and the pulse, without the need to participate in single chip microcomputer. the stepping motor co ntroller reduced the mcu software overhead, and decrease the system cost, improve the reliability, have certain practical value. stepping motor was in 1920 by british invention. so far the step motor control technology in foreign experience for more than 90 years of development, the product s manufacturing technology and control technology has the very big development. w ith the information technology and the development of digital control technology, in developed countries such as japan, south korea and the united states, and the stepp er motor control system has been implemented digital control. and in our country, t he stepping motor development and 1958 years, and no special research institutions, step motor is basically a counterfeit phase. until the s, digital control to meet the n eeds of the development of the wedm, just making the stepping motor research work to have the unprecedented development. at present our country to the step motor co ntrol technology research is at a low level. step motor is the trend of the developm ent of the digital control. so the stepping motor of digital control to our country ste pping motor development, has the great significance. key words: asic 、vhdl 、cpld、 stepper moter 目 录 摘 要i abstract.ii 第 1 章 绪 论1 第 2 章 步进电机的介绍.4 2.1 步进电动机简介4 2.1.1 步进电机种类.4 2.2 步进电机的工作原理4 2.2.1 反应式步进电机原理.5 2.2.2 感应子式步进电机.7 2.3 驱动控制系统组成.7 2.4 步进电机的应用.9 2.4.1 步进电机的选择9 2.4.2 应用中的注意点9 第 3 章 基于 asic 芯片的步进电机控制器的方案设计11 3.1 asic 芯片简介和特点11 3.2 cpld 简介11 3.2.1 发展历史和应用领域.11 3.2.2. 器件特点11 3.2.3 如何使用12 3.3 构思方案12 3.3.1 基于数字电路芯片的步进电机控制方案13 3.3.2 基于单片机的步进电机控制方案.13 3.3.3 基于 cpld 器件步进电机控制器的设计方案.14 3.4 方案的选择.15 第 4 章 硬件系统和软件系统16 4.1 控制器组成框图.16 4.2 软件设计17 4.2.1 分频计数器模块17 4.2.2 按键扫描触发消抖编码模块17 4.2.3 控制信号产生模块.18 4.2.4 环形脉冲分配模块.18 4.3 编译与调试.18 第 5 章 任务总结21 第 6 章 参考文献.22 附录.23 附录 a：原理图23 附录 b: 元件清单.26 附录 c: 程序.27 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 1 第1章 绪 论 步进电机驱动电源同步进电机本身是一个整体! 其性能好坏直接影响步进电机系 统性能的优劣.现主要从以下两个方面对其发展及国内研制概况进行论述: 第一个方面：电源功放级使用元件情况.驱动电源性能的好坏及可靠性, 在很大程 度上与末级功放所用的功率元件直接相关.最初使用的末级功放元件是可控硅.可控硅 是一种脉冲触发的开关器件,它突出的优点是输入功率小,输出功率大,耐压高,成本较低,在 七十年代由于国内大功率高低压晶体管较少.所以用可控硅为功率器件的驱动器曾一 度占据主流. 但是,可控硅虽然触发简单,但关断困难,总的来看线路复杂,容易形成误触 发,可靠性差,不便于调试和维护,抗干扰能力不好,近年来随着大功率晶体管的发展一般 不再采用.而晶体管具有控制方便，调试容易，开关速度快以及元件损耗小等优点， 并且由于采用先进的设计。晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进。因 而近几年国内外绝大多数的驱动电源使用晶体三极管作为末级功放元件。近年来，由 于 v 形槽金属氧化物半导体场效应晶体管（vmosfet）综合了大功率双极晶体管和 场效应晶体管的优点,具有大功率,高耐压,高增益的特点,且没有少数载流子存储时间和 温度失控.并有显著的抑制二次击穿特性,因而使用它可大大提高驱动电源的可靠性.随 着成本的降低及使用经验的积累,越来越多的驱动电源将会使 mosfet 作为末级功放 元件。 第二个方面：驱动电源电路结构的发展。不同形式的功率放大电路对电机性能的 影响各不相同，这种不同形式的功率放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输 出级结构。单电压的驱动电路在二十世纪六十年代初期国外就已大量使用! 它的主要 特点是线路结构简单，成本低，在绕组回路中串接电阻，用以改善电路的时间常数以 提高电机的高频特性。缺点是：串接电阻的做法将产生大量的热功耗较大，对驱动电 源的正常工作极其不利。尤其在高频工作时更加严重。因而它一般用于小功率或启动。 运行频率要求不高的场合。高低压驱动电路在六十年代末出现，是随着对步进电机要 求大功率驱动和高频工作而出现的。这种电路主要是加大绕组电流的注入量以提高出 力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。这种电路的特点是电流 波形得到了很大改善。电机的转矩特性很好，启动和运行频率得到很大的提高，由于 绕组回路中的串接若干个较小的电阻，所以电源功耗较小，但由于电机旋转反电势， 相间互感等因素的影响，易使电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹 形，致使电机的输出力矩有所下降。为了弥补高低压驱动电路的高，低压电流波形在 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 2 连接处为凹形的缺陷，提高输出转矩，七十年代中期研制 出斩波电路。该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波 动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定。 而且不需外接 电阻，取样电阻又很小。因此，整个系统的功耗非常小，电源效率较高，因而恒 流斩波电路应用相当广泛。细分驱动电路在七十年代中期由美国学者首次提出。它是 建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的。它通过控制电 动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一， 实际上，加工误差致使细分后的步距角精度并不高。但是，细分驱动能极大地改善步 进电机运行的平稳性。提高匀速性，减轻甚至消除振荡，近几年来，由于微处理机技 术的发展，细分电路获得了广泛应用。 国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个 重要发展方向是大量采用专用芯片。结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机 的性能，比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机 实现合理的加减速过程，同时完成计长走步，正反转等。对于开环使用的步进电机， 实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。例如日本的 ppmc101b 便是这种芯片，采用这类专用集成电路。可驱动2-5相电路，可选择励磁 方式，转速精确，设定的转速范围宽，加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定。 此外还有单步运转和不同的停止方式等功能。另一类芯片的核心是实现细分技术。近 年来，国外许多厂商相继推出了多种步进电机控制与驱动芯片和多种不同功率等级的 功率模块，仅由几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功率齐全,性能优异的步 进电机驱动器.例如意大利 sgs 公司的 l298和 l297构成的四相(二相)定电流斩波驱动 器就属此类。国外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。所以用集成加分立元件开发出适 合我国国情的高性能驱动器是一个比较现实的做法。 步进电机驱动软件发展状况。在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬 件实现。比如环形分配器，就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成， 不同类型的电机，不同的工作方式就需要有不同的环形分配器。如果更换了电机类型 或改变工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。随着以 mcs_51系列为代表的单片 机的迅速普及.基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用，此类环形分配 器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机。而无需变更硬件，具有极大的灵活性。 此外，在步进电机的速度控制中，我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 3 学特性及矩频特性得到的。在数学上这种曲线是比较复杂的，人们很难找到一种硬件 电路来模拟它。只能在一定频段内做一种大的近似来拟合。现在，我们可以通过软件 编程来精确的模拟升降速曲线，并且结合当前微型计算机的强大计算功能可实现步进 电机的最优化控制。 本毕业设计针对 asic 芯片来进行一个三相步进电机控制和驱动系统，要求系统 结构简单，体积小，成本低，移植性强。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 4 第2章 步进电机的介绍 2.1 步进电动机简介 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。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。 2.1.1 步进电机种类 目前常用的有三种步进电动机： 1) 反应式步进电动机(vr)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角 小；但动态性能差。 (2) 永磁式步进电动机(pm)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角 大。 (3) 混合式步进电动机(hb)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动 机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。 它有时也称作永磁感应子式步进电动机 2.2 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各 相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 2-1 是该四相反应式步进电 机工作原理示意图。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 5 图 2-1 四相步进电机步进示意图 开始时，开关 sb 接通电源，sa、sc、sd 断开，b 相磁极和转子 0、3 号齿对 齐，同时，转子的 1、4 号齿就和 c、d 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 d、a 相绕组磁极产生错齿。 当开关 sc 接通电源，sb、sa、sd 断开时，由于 c 相绕组的磁力线和 1、4 号 齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 c 相绕组的磁极对齐。而 0、3 号齿 和 a、b 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 a、d 相绕组磁极产生错齿。依次类推， a、b、c、d 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 a、b、c、d 方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单 四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控 制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2-2 .a、b、c 所 示： a. 单四拍 b. 双四拍 c 八拍 图 2-2.步进电机工作时序波形图 2.2.1 反应式步进电机原理 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线 依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距 以表示） ，即 a 与齿1相对齐，b 与齿2向右错开1/3，c 与齿3向右错开2/3，a 与齿5相对齐， （a就是 a，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 6 2、旋转： 如 a 相通电，b，c 相不通电时，由于磁场作用，齿1与 a 对齐， （转 子不受任何力以下均同） 。 如 b 相通电，a，c 相不通电时，齿2应与 b 对齐，此时 转子向右移过1/3，此时齿3与 c 偏移为1/3，齿4与 a 偏移（-1/3）=2/3。 如 c 相通电，a，b 相不通电，齿3应与 c 对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿 4与 a 偏移为1/3对齐。 如 a 相通电，b，c 相不通电，齿4与 a 对齐，转子又向 右移过1/3 这样经过 a、b、c、a 分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到 a 相， 电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 a，b，c，a通电，电机就每步（每 脉冲）1/3,向右旋转。如按 a，c，b，a通电，电机就反转。 由此可见：电机 的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 a-ab-b-bcc- ca-a 这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同 的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不 难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m- 1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理 条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面 考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错 开一定角度产生力 f 与（d/d）成正比其磁通量 =br*s br 为磁密，s 为导磁面积 f 与 l*d*br 成正比 l 为铁芯有效长度，d 为转子直径 br=ni/rni 为励磁绕阻安匝 数（电流乘匝数）r 为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正 比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越 小，电机力矩越大，反之亦然。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 7 2.2.2 感应子式步进电机 1、特点： 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁 体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材 料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电 机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪 音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机 可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电 机则不能如此。例如：四相，八相运行（ a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a）完全可以采 用二相八拍运行方式 .不难发现其条件为 c=,d=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接 为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往 将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以 作二相电机绕组串联或并联使用。 2、分类 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电 机等。以机座号（电机外径）可分为： 42byg(byg 为感应子式步进电机代号）、 57byg、86byg、110byg、（国际标准），而像 70byg、90byg、130byg 等均为国 内 2.3 驱动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框 图如下： 1、脉冲信号的产生。 脉冲信号一般由单片机或 cpu 产生，一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4 左 右，电机转速越高，占空比则越大。 2、信号分配 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 8 我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相 四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为 1.8 度；二相八拍 为,步距角为 0.9 度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为ab-bc-cd-da-ab,步 距角为 1.8 度；四相八拍为 ab-b-bc-c-cd-d-ab,(步距角为 0.9 度）。 3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于 它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越 大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。 因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种： 恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电 源。我厂生产的 sh 系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下： 说明： cp 接 cpu 脉冲信号（负信号，低电平有效） opto 接 cpu+5v free 脱机，与 cpu 地线相接，驱动电源不工作 dir 方向控制，与 cpu 地线相接，电机反转 vcc 直流电源正端 gnd 直流电源负端 a 接电机引出线红线 接电机引出线绿线 b 接电机引出线黄线 接电机引出线蓝线 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进 电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对 力矩影响如下： 4、细分驱动器 在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电 机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（ a，b）电流的大小，以改变合成磁场的 夹角来控制步进电机运转的。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 9 2.4 步进电机的应用 2.4.1 步进电机的选择 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大 要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到 电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小 于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36 度/0.72 度（五相电机）、 0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、 1.5 度/3 度 （三相电机）等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩 选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的 惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载 均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般 情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长 度便能确定下来（几何尺寸） 3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频 特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡 量，力矩与功率换算如下： p= m =2n/60 p=2nm/60 其 p 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度， n 为每分钟转速， m 为力矩单位为牛顿 米 p=2fm/400(半步工作） 其中 f 为每秒脉冲数（简称 pps) 2.4.2 应用中的注意点 1、步进电机应用于低速场合 -每分钟转速不超过 1000 转，（0.9 度时 666 6pps)，最好在 1000-3000pps(0.9 度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作 ，此时电机工作效率高，噪音低。 2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 10 3、由于历史原因，只有标称为 12v 电压的电机使用 12v 外，其他电机的电 压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议： 57byg 采用直流 24v-36v，86byg 采用直流 50v,110byg 采用高于直流 80v），当然 12 伏的电压 除 12v 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。 4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频 提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度 ,或采用高细分数的驱动器来 解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘 汰的说法是外行话。 7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼 的解决。 8、电机在 600pps（0.9 度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱 动。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 11 第3章 基于 asic 芯片的步进电机控制器的方案设计 3.1 asic 芯片简介和特点 asic(application specific integrated circuits，专用集成电路 )，是 指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。 asic 作为 集成电路（ic）技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成 电路相比，在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性： 1. 缩小体积、减轻重量、降低功耗； 2. 提高可靠性，用 asic 芯片进行系统集成后，外部连线减少，因而可靠性明 显提高； 3. 易于获得高性能， asic 是针对专门应用而特别设计的；系统设计、电路设 计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获得前所未有的高性 能系统； 4. 可增强保密性，电子产品中的 asic 芯片对用户来说相当于一个 “黑匣子“ ，难于仿造； 5. 在大批量应用时，可显著降低系统成本。 cpld 主要是由可编程逻辑 宏单元(mc，macro cell)围绕中心的可编程互连 矩阵单元组成。其中 mc 结构较复杂，并具有复杂的 i/o 单元互连结构，可由用 户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于cpld 内部采用固定长 度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免 了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。 3.2 cpld 简介 3.2.1 发展历史和应用领域 20 世纪 70 年代，最早的可编程逻辑器件 -pld 诞生了。其输出结构是可编 程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由 软件完成（相当于房子盖好后人工 设计局部室 内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于 简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补pld 只能设计小规模电 路这一缺陷， 20 世纪 80 年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件 -cpld。目前 应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。 3.2.2 器件特点 它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、 设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 12 价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型 设计和产品生产 (一般在 10,000 件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用 数字 集成电路的场合均可应用 cpld 器件。cpld 器件已成为电子产品不可缺少的组 成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。 3.2.3 如何使用 cpld 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本 设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应 的目标文件，通过下载电缆（ “在系统”编程）将代码传送到目标 芯片中，实现设 计的数字系统。具体如下图 3-1 图 3-1 流程图 3.3 构思方案 步进电机是将电信号转化为角位移的装置。步进电机控制器目前主要有四种方式 实现，分别为基于数字电路芯片的控制器、基于 dsp 控制的控制器、基于单片机控制 的控制器、基于 cpld 器件来设计 asic 的步进电机控制器。cpld、fpga 实现的通常 是纯数字系统，适于处理大量的逻辑和时序问题，速度快；单片机则善于处理大量的 数据和复杂的运算，而且经常可以很方便地构成模拟数字混合系统。步进电机的数字 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 13 化控制将是步进电机控制器未来发展的必然趋势。下面具体介绍三种控制方案。 3.3.1 基于数字电路芯片的步进电机控制方案 基于数字电路芯片的步进电机控制方案，如图，步进电机控制系统主要有步进电 机控制器、功率放大器及步进电机组成。步进电机控制是有缓冲寄存器、环形分配器、 控制逻辑及正、反转控制门等组成的。他的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲， 以便于控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出 的环型脉冲加以放大，驱动步进电机转动。 图 3-2 步进电机控制器系统的组成 特点： 这种控制方式在步进电机控制器的早期历史阶段，起到了一定的作用，并满足 了当时的控制器要求。但随着生产要求的提高，基于此芯片控制的方案其缺点日益凹 现。一方面表现在技术上满座不了生产的需求，另一方面元件太多容易出故障。 3.3.2 基于单片机的步进电机控制方案 基于单片机的步进电机控制方案如图。常用的步进电机控制系统，控制核心是微 处理器，常用的 8051 单片机片内没有 pwm 模块需要外接 8253 等芯片产生脉冲信号 （一般为方波信号） ，大带有 pwm（plus width module）模块的单片机则可以直接输 出脉冲信号但占用软件资源较多。脉冲信号的频率控制步进电机的转速，脉冲信号的 个数又控制着步进电机的转角。因此，有需要一个计数器 8253 对脉冲个数产生脉冲 信号。驱动器部分可以对步进电机的步数进行细分并驱动电机。系统工作时，单片机 需先通过计算设定计数器 1 和计数器 0 的相关参数才能保证电机的正常运行，增加了 软件的运行时间，降低了系统效率，并且 8253 器件技术范围有限（16 位计数器） ， 不能产生高频，多个数的脉冲信号。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 14 图 3-3 单片机控制步进电机原理图 3.3.3 基于 cpld 器件步进电机控制器的设计方案 如图 3-4，本文讨论了一种基于 cpld（complex programmable logic device） 复杂可编程逻辑器件的步进电机控制器设计，应用一个低成本 cpld 器件，就可以解 决单片机 pwm 软件编程和 8253 对脉冲计数的问题。cpld 中设计了一个 pwm 模块和一 个计数模块，单片机只需对 cpld 中的寄存器进行访问，就可以产生一定频率，一定 占空比和一定个数的脉冲信号。可以降低单片机的软件开销，提高系统效率。计数模 块可采用 32 位计数器，因此对高频多个数的脉冲信号也有较好的支持。 图 3-4 cpld 控制电路原理 特点： 基于 cpld 器件步进电机控制器的设计方案如图，由于单片机在抗干扰能力方面 不如 cpld，故吧主要任务交给 cpld 完成，单片机主要完成计算功能，将设置数据计 算后，输出插补器所需数据，插补器和环形分配器的实现在 cpld 种完成。它具有可 靠性强，抗干扰能力强，系统维修方便、能耗低、高编程灵活、集成度高、设计开发 周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、 标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 15 3.4 方案的选择 从技术上看，方案一、方案二、方案三和方案四都可以实现对步进电机的控制。 方案一利用数字电路芯片的逻辑关系对脉冲进行分配，实现对步进电机的控制。但随 着生产要求的提高，它的灵活性和通用性满足不了生产的需求。方案二基于 dsp 芯片 的控制，由于 dsp 具有丰富的资源和强大的运算能力，目前该方案只适用于精度要求 高的场所。而方案三里面常用的 8051 单片机片内没有 pwm 模块，需要外接 8253 等芯 片产生脉冲信号（一般为方波信号） ，大带有 pwm（plus width module）模块的单片 机则可以直接输出脉冲信号但占用软件资源较多。脉冲信号的频率控制步进电机的转 速，脉冲信号的个数又控制着步进电机的转角。因此，有需要一个计数器 8253 对脉 冲个数产生脉冲信号。驱动器部分可以对步进电机的步数进行细分并驱动电机。系统 工作时，单片机需先通过计算设定计数器 1 和计数器 0 的相关参数才能保证电机的正 常运行，增加了软件的运行时间，降低了系统效率，并且 8253 器件技术范围有限 （16 位计数器） ，不能产生高频，多个数的脉冲信号。方案四，应用一个低成本 cpld 器件，正好解决了单片机 pwm 软件编程和 8253 对脉冲计数的问题。它具有可靠性强， 抗干扰能力强，系统维修方便、能耗低、高编程灵活、集成度高、设计开发周期短、 适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产 品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。 从经济上看，数字电路芯片价格较低，而 dsp 由于其开发工具价格高，导致其价 格较高。对于方案三来说，价格处于方案一和方案二之间，比数字芯片电路高，但相 比 dsp 较低，而方案四略低于方案三。 所以综合以上观点，从芯片的性价比来考虑，选用方案四即基于 cpld 器件的步 进电机控制方案为此次设计的主要方案。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 16 第4章 硬件系统和软件系统 4.1 控制器组成框图 本设计中的步进电机控制器功能完善，移植性很强，下面是设计的方框图： 图4-1 步进电机控制器方框图 方框 1 中的时钟发生电路是晶体振荡器产生，要求频率要稳定，频率的稳定度 决定步进电机的精准度，它要产生三个不同频率的时钟分别应用不同的部分，分别为 3mhz 的扫描时钟、9khz 电机转速控制时钟、1khz 的取样时钟。 方框 2 控制信号产生电路主要是在 1khz 的取样时钟内，对 3mhz 的扫描时钟 进行按键触发，按键消抖，按键编码，按键功能的产生来进行设计，要求产生启停信 号，多级加减调速，单步，正反转等常用的功能控制信号。 方框 3 环形脉冲分配电路主要是完成对电机的工作方式的控制，可 以采用状态 机来设计电机的工作模式，如果是三相步进电机可以设计为单三拍，双三拍，混六拍 的工作方式在此框中完成。 方框 4 光耦隔离驱动电路主要完成步进电机的驱动，由于步进电机的绕组电流 较大，为防止电机的频繁启停等对 asic 芯片的影响，在输出端加上光电耦合器和达 林顿驱动电路。 本设计中方框 1、4、5 为 asic 片外硬件设计，2、3 为片上硬件设计采用 vhdl 语言来完成设计。 下图4-2 为硬件软件资源规划分配图 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 17 图4-2 硬件软件资源规划图 对于 asic 芯片的设计开发，开发者可以不必了解芯片的内部结构，只需查看芯 片手册，看引脚功能，芯片可用宏单元个数和引脚数等就可以开发设计，本设计在 max ii 芯片上进行，此芯片有192个宏单元，80 个用户可用的引脚，最快速度可以 达到 4.7ns,开发后，本项目只占用 29%的宏单元，和15%的引脚资源，器件逻辑宏单 元使用率不高，实际中可