（信号与信息处理专业论文）基于cpld的步进电机升降速控制方法.pdf

( 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 注；翅遗 查基丝重墓挂别壹盟的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：蚴孩 签字日期：如p 年r 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下事 项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库，授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彩渺毒死 签字日期：妒f d 年f 月 中 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 摘要 步进电机( s t e p p e rm o t o r ) ，因为具有精确定位的特点而在工业控制领域拥有广 泛的应用。论文以反应式步进电机为研究对象，以e d a 技术为平台，运用硬件描 述语言v h d l ，对步进电机在升降速阶段的速度控制进行了研究。 论文首先回顾了步进电机的发展现状，步进电机传统的控制系统存在一定的局 限性，一方面体现在所用硬件上。另一方面，在软件实现上也存在加减速阶段容易 出现失步和过冲等现象，造成了步进运动的不精确，基于这两方面，确立了本研究 的方向。接着介绍了e d a 技术及其开发工具的发展历程和各自的主要特点，随后 又对步进电机的基本知识和可编程逻辑器件( 主要是x i l i n x 公司的产品) 的原理做 了详细的介绍，为研究课题提供了完整的理论依据。 基于上述理论，在对步进电机加减速运动规律做了深入了解后，本设计提出了 一种脉冲连续可调的产生方法，也就是脉冲合成的方式。这种方式产生的脉冲精确、 合理，将其应用到步进电机指数型运行曲线上，得到了比较理想的脉冲输出方案。 编程语言选择的是硬件描述语言v h d l ，所以可以称为软件硬化的设计方式。设计 中采用的硬件设备是复杂可编程逻辑器件c p l d ，内部资源丰富和具有i s p ( 在系 统编程) 的特点为设计带来了极大的灵活性。整个系统采用模块化的设计思想，增 加了程序的可读性和可维护性。对每个模块，都给出了详细的设计程序，随后的仿 真也证实了设计的正确性。全数字化的控制方案，使系统显得格外紧凑、可靠，且 调试也变得很方便。 关键词：步进电机升降速电子设计自动化复杂可编程逻辑器件 m e t h o do f s t e p p e r sa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nb a s e do n c p l d a b s t r a c t s t e p p e rm o t o ri sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r yc o n t r o la r e a b e c a u s eo ft h ea b i l i t yo f c o n t r o l l i n gt h ep o s i t i o no fm e c h a n i s ma c c u r a t e l y t h et h e s i sf o c u s e so nv rs t e p p e rm o t o r a n dd or e s e a r c ho nt h es p e e dc o n t r o ld u r i n gt h ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o np h a s eb a s e d o ne d at e c h n o l o g ya n dv h d lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a tf i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u so fs t e p p e rm o t o ra n ds e t t h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i sp a p e r t h e ng o e st ot h eb a s i ck n o w l e d g ea n dp r i n c i p l eo f s t e p p e rm o t o ra n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，a l la b o u tt h i sp r o v i d e st h es c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o rt h et h e s i s i no r d e rt oa c h i e v et h ea i ma tc o n t r o l l i n gt h es t e p p e rm o t o ra c c u r a t e l y , a f t e rg e t t i n g d e e pu n d e r s t a n d i n go ft h em o t i o nr e g u l a r i t yo fm o t o r , ld e s i g nap u l s eg e n e r a t i o nm e t h o d w h i c hc o u l db ec o n t i n u o u s l ya d j u s t e d v h d li s c h o s e na sp r o g r a m m i n gl a n g u a g e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ec p l di sc h o s e na st h eh a r d w a r ed e v i c ef o rt h ed e s i g n ，t h e p l e n t i f u lr e s o u r c ea n di s pp r o p e r t yp r o v i d ef l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n c yt od e s i g n e r t h e w h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s ，w h i c ho f f e r sc o n v e n i e n c et ot h e u n d e r s t a n d i n go fi ta n dt h em a i n t e n a n c eo fs y s t e m f o r e a c hm o d u l e ，s p e c i f i cp r o g r a mi s g i v e na n d t h es i m u l a t i o nf o re a c hm o d u l ed e m o n s t r a t e st h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c t b e s i d e s ， t h ep u r ed i g i t a ld e s i g ns c h e m am a k e st h es y s t e mm o r er e l i a b l e ，m o r ec o m p a c ta n de a s yt o b ed e b u g g e d k e y w o r d s ：s t e p p e rm o t o r a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ne d ac p l d 目录 1 绪 仑1 1 1引言1 1 2 步进电机驱动控制的国内外发展现状2 1 3 电子设计自动化的发展4 1 3 1可编程逻辑器件的开发工具与e d a 技术s 1 3 2基于e d a 技术的电子系统设计方法7 1 4本论文的主要工作1 0 2 步进电机及其速度控制原理1 1 2 1 步进电机基本原理1 1 2 1 1 步进电机的原理1 1 2 1 2 励磁方式。1 2 2 1 3步进电机的动态指标1 3 2 1 4 步进电机的分类一1 4 2 2步进电机运行特性1 8 2 2 1静态距角特性。1 8 2 2 2步进距角特性1 9 2 2 3 连续运行特性2 0 2 3步进电机常用升降速控制理论介绍2 1 2 3 1 直线型速度时间曲线控制理论一2 1 2 3 2指数型速度时间曲线控制理论2 2 2 3 3 s 型速度时间曲线控制理论2 2 3 复杂可编程逻辑器件c p l d 2 4 3 1 可编程逻辑器件的发展历程2 4 3 2 x i l i n xc p l d 2 6 3 2 1 c p l d 的基本结构与实现原理2 9 3 2 2c p l d 的性能选用3 2 3 2 3 复杂可编程逻辑器件c p l d 的特点一3 3 3 3v h d l 编程中的注意问题3 4 4 基于指数型曲线的升降速控制方法研究4 0 4 1指数型升降速曲线的理论推导过程4 0 4 2 任意频率脉冲产生方法的实现4 3 4 3基于v h d l 语言实现设计4 7 4 3 1 脉冲产生部分的设计4 8 4 3 1 1 一级分频单元的实现一4 8 4 3 1 2 多种频率脉冲产生模块的实现5 0 4 3 1 3 脉冲叠加模块的实现5 3 4 3 2脉冲控制部分的设计5 4 4 3 2 1 相邻频率值之间脉冲数控制模块的实现5 4 4 3 2 2 总脉冲数控制模块的实现5 5 4 3 3顶层模块仿真结果5 6 5 设计实现与调试分析5 7 5 1系统实现流程5 7 5 2 设计综合与报告文件分析5 8 5 3 设计调试6 0 5 4实验结果分析6 1 6 总结与展望6 3 参考文献6 4 致谢6 6 个人简历6 6 发表的学术论文6 6 基于c p l d 的步进电机升降速控制办法 1 绪论 1 1 引言 步进电机，作为仪表及工业过程控制主要执行元件之一，随着控制技术、电子 技术、电机本体的变化和发展，以及随着运动系统数字化的发展，在工业控制、数 控、数模转换和计算机外围设备等领域都有着广泛的应用，同时也发挥着越来越重 要的作用。其中，步迸电机最常用的应用场合就是快速精确定位系统。 在实际的应用控制过程中，若步进电机在升降速阶段脉冲频率的变化不合理， 就会导致电机失步或者过冲，使系统无法做到精确定位；同时，由于系统对快速性 的要求，电机需要的加减速过程应该很快地完成。因此必须提供合理的加减速运行 曲线，在保持定位精度的前提下，提高系统的运行速度。所以有必要对步进电机的 加减速运行规律做深入了解，这也就提出了对脉冲频率进行合理性研究，设计出最 佳的脉冲输出方案，使步进电机在运行过程中可以做到快速定位，运行步数准确。 传统的步进电机控制方法是用单片机，这种方式虽然成本低廉，但控制能力有 限，软件编程产生的脉冲往往达不到要求，并且在驱动多个步进电机的情况下，由 于单片机的内部计算器或者产生脉冲的端口有限，就必然导致需要多个单片机1 2 3 1 ， 这就增加了系统的复杂度和不可靠性，不仅涉及到步进电机的运行配合和多个单片 机之间的传输协议等问题，还会使成本也随之上升。 本研究提出了一种脉冲合成的方法，通过对不同频率脉冲的合成，达到对输出 脉冲连续可调的目的。该方法能够较精确的产生驱动电机的脉冲，结合步进电机在 升降速阶段的指数型频率时间曲线，克服了传统的脉冲产生不精确和加减速阶段速 度变化不均的问题。所用硬件采用可编程逻辑器件c p l d ，利用可编程逻辑器件不 但能简化外围电路，给电机控制带来方便，且能降低成本，缩小体积，改善性能， 使调整更加简便，提高系统的可靠性和抗干扰能力，因而具有非常广泛的应用前景。 c p l d 技术是建立在数字集成电路基础上的，采用了非常先进的芯片技术。作 为电子元器件最重要的基础产品之一，它已渗入到电机控制领域。电机控制集成电 路的开发和使用己成为当今世界的高新技术，它在工业控制、仪器仪表、家用电器 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 等各个电气自动化领域已成为必需的元件。c p l d 不仅可以方便地与数字控制器和 模拟控制器连接，将其直接用于步进电机控制，而且具有较高的性价比，采用c p l d 的整个系统要比采用单片机的系统显得更加简洁，易维护，也更加有利于整个控制 系统的进一步扩展，是一种十分先进和实用的应用技术。 1 2 步进电机驱动控制的国内外发展现状 步进电动机的基本原理是基于电磁铁之间的相互作用，他最早的模型起源于 1 8 3 0 年至1 8 6 0 年间。1 8 7 0 年前后，开始有了以控制为目的的尝试，并且在后来被 应用于氨弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。此后，步进电动 机被广泛的应用在了电话自动交换机中。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独 立系统中得到了广泛使用。 2 0 世纪6 0 年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用性步进电动机也应运而 生，而半导体技术的迅速发展也推进了步进电动机在很多领域的应用。在近3 0 年间， 步进电动机有了长足的发展，技术也越来越成熟。从发展趋势来讲，步进电动机已 经能与异步电动机、直流电动机、以及同步电动机并列，成为了电动机的一种基本 类型。 步进电机驱动器是步进电机控制系统中的中枢部分。 目前控制器在实际应用中多采用如下四种【1 7 】： ( 1 ) 基于p c 和微处理器。 ( 2 ) 基于微控制器设计的专用集成电路，如美国国家半导体公司生产的l m 6 2 8 ，惠 普公司h c p l l l 0 0 等。 ( 3 ) 基于可编程数字逻辑器件。可编程器件具有：高集成度、高性能、简化电路、高 灵活性等优点。 ( 4 ) 基于数字信号处理器( d s p ) 。 我国的步进电机驱动器是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后才开始 有较大进展，至今己有较好的基础和一定的规模。八十年代末开始在我国发展经济 型机床控制系统，它是一种用单板计算机和步进电机开环系统构成的简易型控制装 置，使得控制部件的稳定性、可靠性大为提高，成本下降，然而步进电机及其驱动 基于c p l d 的步进电机升降速控制力。法 器仍基本上停留在较低的水平，成为这种系统发展的主要障碍。一方面表现在缺乏 驱动器的专业生产厂家，供应不足；另一方面表现在我国步进电机的驱动器多采用 传统线路结构，性能落后。 现阶段我国不少厂家都已经能研制生产出步进电机的驱动器，但其技术设计基 本上还是引进国外的专用芯片，在性能方面还存在许多不足之处( 如节能、稳定性 等) 。 总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来 看，与国外相比还是具有一定差距；如通用性不是太好，而且可控轴数较少，控制 精度和可靠性不太高。 自从c p l d 技术提出以来，随着亚微米c m o s 集成电路制作技术的成熟和发展， 器件集成度不断增大，器件价格不断下降，以其现场设计、现场修改、现场验证、 现场实现的可达数万门级的数字系统单片化的应用优势，逐渐受到各国电子系统应 用领域内的设计工程师广泛的关注和欢迎。可编程逻辑器件的使用，使设计出的电 子产品具有了小型化、集成化和高可靠性等特点。c p l d 使用灵活，功能强大，运 用v h d l 语言，对于已经完成的设计，要想改变设计的规模和结构，在对源程序不 做改动的条件下，只需要改变端口函数或类属参量。c p l d 与数字控制器和模拟控 制器连接方便，可以直接用于步进电机的控制。现在c p l d 以其越来越快的工作速 度和内部资源规模的提高，为步进电机的全数字化控制提供了广阔的应用前景。 近几年随着微电子集成技术的迅猛发展，利用各种可编程逻辑器件特别是c p l d 来构成各类电机控制系统的研究方兴未艾。由于f p g a c p l d 直接面向用户，具有 极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，用以开发步进电机控制 器的效率高，成本低，工作可靠性好。近些年来，由于步进电机的控制精度不断提 高，越来越多有较高控制精度要求的系统也开始采用步进电机。 c p l d 独特的优越性使得它在步进电机系统中的应用会越来越广泛。所以越来 越多的设计正在利用c p l d 来实现步迸电机的p w m 波形模块、电流环、速度环和 其他一些辅助功能，完成整个系统的控制。这种控制策略简化了硬件和软件设计， 并充分利用c p l d 的快速性，节省c p u 的资源，这样就可以在c p u 内实现复杂的 控制器。这是一个高度集成化的单片控制系统，最终可实现步进电机控制的模块化。 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 应该可以看到，电机控制器的单片集成化研究己经成为电机控制领域的一个新 的发展方向，也是技术发展的必然趋势。采用c p l d 不仅是电子技术发展的必然趋 势，而且也是衡量产品技术先进性和竞争力的一个重要标志。基于c p l d 的应用和 技术推广将是我国未来电子设计技术发展的主流。这些新型器件的出现，为我们进 行电机集成控制器的研究提供了物质基础和技术手段，大大地拓广了我们的设计思 路，使得诸如电机控制器等的片上系统集成有了可能。片上系统的出现，对大幅度 降低功耗、提高抗干扰性、增加技术保密性以及减少电路板面积等都提供了良好的 解决方案：在系统可编程( i s p ) 技术又使得设计者可以随时通过软件对器件编程，从 而达到改变硬件结构的目的。 所以，基于c p l d 器件并结合现代电机控制理论，进行电机控制器的集成化开 发将是未来电机控制领域的一个重要发展方向，它不只具有理论意义，同样具有重 要的经济意义和战略意义，在军事、民用等领域都会有广阔的用途。 1 3 电子设计自动化的发展 众所周知，微电子技术和计算机技术是近5 0 年来发展最为迅猛的高新技术【1 9 】。 微电子技术的发展，使当今各种电子产品功能完善、系统复杂。但同时，电子技术 发展周期不断缩短，使专用集成电路( a s i c ) 的设计面临着难度不断提高与设计周期 不断缩短的矛盾。一片v l s i 或s o c 上往往集成了数十万到数千万甚至数亿个晶体 管，如此规模巨大而又复杂的系统，其设计和方案验证也变得十分繁复。用人工方 法进行设计，将使工作效率十分低下，有时还难以进行。为了解决这个问题，要求 我们必须采用新的设计方法和使用高层次的设计工具。正是在这种背景下，人们试 图运用计算机辅助设计方法，建立起完整的电子系统设计、分析、模拟、仿真、综 合等手段，以使整个电子系统的设计能够在计算机平台上自动进行，在此情况下， e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 即电子设计自动化) 技术应运而生。随着电子技术 的发展及缩短电子系统设计周期的要求，也促进了电子设计自动化技术的迅猛发展。 4 基于c p l d 的步进电机升降速控制办法 1 3 1 可编程逻辑器件的开发工具与e d a 技术 所谓e d a 技术，是一种在电子c a d 技术基础上发展起来的计算机软件系统。 它是以硬件描述语言为系统逻辑描述，以计算机为工作平台的主要表达方式，并且 以各种e d a 软件工具为开发环境，设计载体为大规模可编程逻辑器件 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，以单片电子系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 芯片、专 用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 为目标器件，以电子系统设 计为应用方向的电子产品自动化设计过程。在此过程中，设计者只需利用硬件描述 语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，在e d a 软件工具中完成对系统硬件功能 的描述，e d a 软件工具便会自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、 布线和仿真，直至可以完成特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作， 最终形成集成电子系统或专用集成芯片。虽然目标系统是硬件，但整个设计和修改 过程如同完成软件设计一样方便和高效。 正是因为e d a 技术是一个以计算机辅助设计为基础的工作平台，所以计算机软 硬件技术的飞速发展和超大规模集成芯片制造工艺的日趋成熟与稳定，才促成了电 路设计和版图设计工作的独立进行，使电路设计工程师免除了对i c 底层设计和制造 中的后顾之忧，e d a 技术的发展便有了坚实的基础。 随着可编程逻辑芯片规模和功能的不断扩大，对芯片的2 次开发就越来越依赖 于专用的手段和功能强大的工具才能完成，电子设计自动化技术正是顺应了这种需 求，应运而生。它使人们利用集计算机图形学、拓扑逻辑学、人工智能学、计算数 学等多种计算机应用学科的最新成果开发而成的一整套软件工具，进行芯片逻辑功 能的设计、仿真、时序分析、逻辑综合等，最大限度的改善了开发环境。应用这种 软件工具及其支持的硬件描述语言从事电子系统的设计，打破了软硬件之间最后的 屏障，使软硬件工程师们之间出现了一种真正的共同语言。由于大规模可编程逻辑 器件的突出优势和开发环境的有力支持，电子设计专家预言：单片机作为复杂控制 系统时代正在逝去，未来的发展方向将是e d a ，这是极富远见的洞察。 s 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 e d a 技术最初是从物理层的计算机辅助设计开始，以后才逐步向高层次的设计 自动化发展。从2 0 世纪7 0 年代到目前为止的四十多年中，e d a 技术的发展大致历 经了以下四个阶段【l4 1 。 第一代e d a 工具在2 0 世纪7 0 年代中期投入实际应用，是物理层的e d a 工具， 主要的功能是一些计算机辅助设计，比如p c b 绘图、版图绘图和图形编辑的。这一 时期也称为电子线路的c a d ，是e d a 发展的初级阶段，是高级e d a 系统的重要组 成部分。该阶段主要特点是：硬件基础是1 6 位小型机，利用计算机的图形编辑、分 析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。 它可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，设计工作分阶段进行，e d a 工具彼此独立，只能适应某一阶段的工作，不同阶段的衔接要靠人的介入，需要人 工干预整个设计过程。 2 0 世纪8 0 年代中期，出现了第二代e d a 工具。该阶段也可称为e d a 技术的 中级阶段，已具备了设计自动化的功能。第二代e d a 工具除了能够进行物理级的 计算机辅助设计之外，其主要特征是具备了自动布局布线和进行逻辑功能仿真、门 阵列和标准逻辑单元版图的自动设计和验证的功能，同时，还可以进行芯片布图和 印刷电路板( p c b ) 布图等。其作用已不再仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某 种思维。人机交互采用图形语言，即电路图输入的方法。 2 0 世纪8 0 年代后期，这一时期是e d a 技术迅速发展的一段时间，先后出现了 一批著名的e d a 工具制造商，如美国的m e n t o r 、c a d a n c e 、s y n o p s y s 、v i e w l o g i c 等，推出了一大批第三代e d a 工具。这一阶段e d a 技术的主要特点是：设计分层 次进行，每一层次又包含若干阶段，各设计层次的数据格式不一致便成为主要障碍。 为了使e d a 系统能够管理好各e d a 工具及其数据，实现各阶段的自动衔接，制定 基于共享数据库的一些标准数据交互格式便提上了日程。这一阶段的e d a 工具不 仅可以支持图形输入，而且硬件描述语言的输入也得到了支持，还可以对用硬件描 述语言设计的r t l 级的系统进行功能仿真、时序仿真和逻辑综合，自动生成门级网 表文件，进行门级功能仿真，并在此基础上进一步进行时序分析、自动布局布线， 生成器件编程所需要的d e c 文件。除此之外，此时的e d a 工具还可以自动进行版 图设计和验证、版图后功能仿真和时序分析，形成从设计输入( 包括原理图输入、状 6 基于c p l d 的步进电机升降述控制力法 态图输入和语言输入) 到设计验证( 包括功能仿真、时序仿真、设计规则验证、版图 验证、版图后仿真) 再到设计实现( 包括综合、翻译、装配、版图牛成) 完整的过程。 这一代e d a 工具往往都可提供采用主流工艺制造的i c 标准单元设计数据库，供版 图设计和后仿真时使用。目前使用的主要设计平台正是第三代e d a 工具。 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，已经开始致力子发展第四代e d a 工具。这一阶段 的e d a 工具将围绕深亚微米工艺特点展开，力求将前端设计和后端设计以及测试 融为一体，并试图在行为级对系统进行描述、模拟和综合。同时，研究开发模拟电 路设计自动化技术。如果一个e d a 工具能够从系统的行为描述开始，到系统的物 理实现为止的全部设计工作自动完成，则称其为全程e d a 工具。目前，全程e d a 技术还在继续发展中。 1 3 2 基于e d a 技术的电子系统设计方法 现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。 e d a 技术研究的范畴相当广泛，从a s i c 开发与应用角度看，包含以下子模块：设 计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块和布局布线 子模块等。e d a 主要采用并行工程和“自顶向下”【”的设计方法，然后从系统设计 入手，在项层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错， 并用v h d l 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证， 最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级 可以是印刷电路板或专用集成电路。 层次化设计是设计大型电子系统的常用方法【1 3 】。一个完整的集成电子系统从概 念的提出到最后物理实现，可以分为如下几个设计层次，即系统级、行为级、寄存 器传输级c o l 级) 、逻辑门级、电路级和版图级。 1 版图级 版图级也称为物理级，描述的是集成电路最低层次。在版图级，以几何图形描 述晶体管、m o s 管、二极管、电阻、连线等元件，器件的物理特性关系中隐含了硬 件的功能。在这一层次中，系统的特性不仅与器件的加工工艺有关，而且与器件的 互连方式有关。 7 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 2 电路级 电路级在版图级以上。设计该级时，首先确定设计方案，同时要选择能实现该 方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真， 包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析和瞬态分析。系统在 进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实 际电路调试中的示波器和信号源。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正 确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行p c b 板的自动布局布线。 在制作p c b 板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分 析和可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真， 也称为后仿真，这一次仿真主要是检验p c b 板在实际工作环境中的可行性。 可见，电路级的e d a 技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全 面了解系统的功能特性和物理特性，这也就做到了在设计阶段就可以消灭在开发过 程中出现的缺陷，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。 3 逻辑门级 电路级上面的层次是逻辑门级，也简称为门级，这是数字系统的主要层次。门 级设计中的基本单元是非门、与门、或门、三态门等各种门电路，以及少量的触发 器。门电路的互连方式构成了门级的结构描述，布尔方程和逻辑图是这一层次的主 要描述形式。门级描述也是硬件描述语言较低的层次。 4 寄存器传输级 门级之上的层次是寄存器传输( 或数据流) 级，这一层次的描述较之门级描述更为 抽象。在r t l 级设计中，大量采用寄存器、触发器、多路选择器、计数器、算术逻 辑运算单元( a l u ) 等功能块，这些功能块的规模比基本门电路单元要大得多，因而 往往又把它们称之为宏单元。r t l 级设计的结构描述是宏单元的互连，反映其功能 的是真值表和状态图。 5 行为级 寄存器传输级之上的层次是行为级，行为级又称为算法级，这一层次对系统功 能的描述是抽象的算法模型，或者是控制流图和数据流图。 6 系统级 8 基予c p l d 的步进屯机升降速控制方法 描述电子系统功能的最高层次是系统级，在这一层次，系统行为的描述往往是 一些性能指标。例如计算机的总线宽度、每秒执行指令的次数、数据的传输速率等。 过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上( b o t t o m u p ) 的程式，设计 者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。e d a 技术高级阶段采用一种新的设 计概念：自项而下( t o p d o w n ) 的设计程式和并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的设 计方法，设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上，e d a 系统去完成 电子产品的系统级至物理级的设计。采用这种系统级设计实际上是一种“概念驱动 式 设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描 述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性概念构思与方 案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，e d a 系统就能以规则 驱动的方式自动完成整个设计。这种设计方法的主要特征是支持高级语言对系统进 行描述。可进行系统级的仿真和综合。 系统级设计的步骤如下： 第一步：按照“自项向下”的设计方法进行系统划分。 第二步：录入v h d l 代码，这是系统级设计中最常用的输入方式。此外，还可 以采用框图、状态图等图形输入方式，这种输入方式具有容易理解、直观的优点。 第三步：将以上的设计输入编译成标准的v h d l 文件。对于大型设计，还要进 行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综 合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数 和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。 第四步：利用综合器对v h d l 源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表 文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对a s i c 芯片 供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能 完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具 体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。 第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映 射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。 9 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 第六步：通过下载电缆或编程器将适配器产生的编程文件下载到目标芯片 f p g a 或c p l d 中。如果是开发大批量产品，只要更换不同的厂家综合库，就可以 很容易的由a s i c 来实现。 1 4 本论文的主要工作 步进电机的速度控制主要体现在启动和制动阶段，为了达到精确控制的目的， 就需要产生精确的输出脉冲。 本论文首先从理论上分析出了步进电机在升降速阶段的频率时间变化曲线指 数型时间频率变化曲线，进而提出了一种输出脉冲连续可调的产生方法，即频率合 成法。该方法能做到产生任意频率的脉冲，在精度上满足了设计要求。在此基础上 将其应用到指数型曲线上，从而使输出脉冲很好地驱动步进电机。本设计在硬件上 采用了复杂可编程逻辑器件c p l d ，采用模块化的设计思想逐一实现了各功能块， 如脉冲产生模块、脉冲控制模块，使整个系统显得紧凑而简练，并且对每个模块都 进行了设计仿真，从理论上验证了设计的正确性。 论文的最后对设计进行了分析总结，针对设计上的不足之处提出了改进方案。 1 0 基丁c p l d 的步进电机升降速控制方法 2 步进电机及其速度控制原理 2 1 步进电机基本原理 步进电机的基本原理主要是指步进电机的运行原理，其中涉及到了励磁方式和 常用到的动态指标。 3 1 1 步进电机的原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动 机的输入量是脉冲序列，输出量则为步进运动或相应的增量位移。正常运动情况下， 它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保 持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受 数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。 如图2 1 所示是一台3 相v r 型步进电机及其原理接线图。在图中，开关器件 v a 、v b 、v c 按某一顺序导通和关断，则转子每次就转过一定的角度。假定v a 先导 通，在绕组a o 方向就形成磁极，转子受磁极作用就稳定在图中现在的位置( 称为 稳定点) ，即l l 轴与a o 轴对齐。然后，如使v a 关断、v b 导通( 这称为换流) ， 则磁极方向就由a o 方向变化到b o 方向，于是离这个磁极轴线最近的转子2 - 2 轴就会在反应转矩作用下与b o 轴线对齐，使转子顺时针方向转过3 0 。，并静止在 此点不动，即得到一个新的稳定点。其余类推，开关器件每切换一次，步进电动机 就转动一步。 基- pc p l d 的步进电机升降速控制方法 图2 1 三相步进电机原理图 2 1 2 励磁方式6 】 按各相绕组通电励磁顺序的不同，三相步进电机有如下三种励磁方式： 1 1 ( 1 p ) 相励磁法 每次只给一相绕组通电。对于三相电动机，通电3 次，完成一个循环，称为3 拍。励磁顺序是a b c a ( 正转) 或a c b a ( 反转) ，称为3 相单3 拍运行方式。 “单 即指每次只给l 相励磁。这种方式称为整步方式。显然，通电一个循环，定 子磁场在空间转过3 6 0 。，而转子只转过一个齿距角。齿距角ez 与转子齿数z 之间 有如下关系： 秒一= 3 6 0 0 z 励磁每切换一次，转子转过的角度0s 叫步距角。步距角0s 与齿距角0z 的关 系与通电一个循环的拍数n 有关： e s = 9zf n o 2 2 ( 2 p ) 相励磁法 基丁c p l d 的步进电机升降速控制疗法 每次同时给2 相绕组通电励磁。其励磁顺序是a b b c c a a b ( 正转) 或 a c - c a b a a c ( 反转) ，称为3 相双3 拍运行方式。“双”即指每次同时给2 相励 磁，这种方式也称为整步方式，但比一相励磁产生的转矩要大。 3 1 2 相( 1 2 p ) 励磁法 这是一种l 相励磁与2 相励磁交替使用的一种励磁方式。励磁顺序是 a a b b b c c c a - a ( 正转) 或a a c c c b b b a a ( 反转) ，称为3 相单双6 拍 运行方式。这种方式又称为半步运行方式。对于4 相步进电机，同样有多种运行方 式。使用1 相励磁法，有4 相单4 拍运行方式；使用2 相励磁法有4 相双4 拍运行 方式；使用1 2 相励磁法，有4 相单双8 拍运行方式。 无论使用何种励磁方式，采用何种运行方法，步距角与齿数z 、拍数n 之间 均存在如下关系： 秒：3 6 0 0 n z 上式说明：转子每转过一个步距角就等于转过了1 ( n z ) 转，也就是说，每输入 一个电脉冲，转子转过1 ( n z ) 转。因而，若脉冲频率为f ( 单位p p s ，为每秒脉冲数， p u l s ep e rs e c o n d 的缩写) ，则转子每秒转过( n z ) 。所以，转子的转速n 为： n = f n z = 以3 6 0 0 ( r s ) 式中为整步步距角或半步距角。 转子的步距角小，可以提高工作机械的精度；而提高输入脉冲的频率f 以提 高转速n ，可以提高工作机械的工作效率。 2 1 3步进电机的动态指标忉 作为精确控制的设备，步进电机有若干的动态指标，要想达到特定的控制目的， 就需要满足这些要求。下面逐一介绍。 1 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分 比表示：误差步距角* 1 0 0 。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5 之内，八拍运行时应在1 5 以内。 2 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载 的情况下，能够直接起动的最大频率。 5 最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带 负载的最高转速频率。 6 运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲 线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的 根本依据。 2 1 4 步进电机的分类 目前常用的有三种步进电动机： ( 1 ) 反应式步进电动机( v r ) 。 反应式步进电动机生产成本低，步距角小，结构简单；但动态性能差。 磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机，它的定子和转子均采用齿状结 构，定子每个极上都绕有线圈，转子则是由软铁材料制成的。其基本原理是绕组通 电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。为了更好的 说明磁阻式步进电机的工作原理，请看图2 2 三相反应式步进电动机的结构示意图。 毋 图2 - 2 三相反应式步进电动机的结构示意图 其中1 为定子，2 为转子，3 为定子绕组。 1 4 基于c p l d 的步进电机升降速控制方法 图2 3 是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个 均布的磁极，其夹角是6 0 0 。各磁极上套有线圈，按图2 3 连成a 、b 、c 三相绕组。 转子上均布4 0 个小齿。所以每个齿的齿距为秒，= 3 6 0 0 4 0 = 9 0 ，而定子每个磁极的 极弧上也有5 个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿 数目分别是3 0 和4 0 ，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以a 相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图l ，那么b 相和c 相磁极的齿就会分别和转子 齿相错三分之一的齿距，即3 0 。因此，b 、c 极下的磁阻比a 磁极下的磁阻大。若 给b 相通电，b 相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越b 相磁极，并力图按磁阻最小 的路径闭合，这就使转子受到反应转矩( 磁阻转矩) 的作用而转动，直到b 磁极上 的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3 0 ；此时a 、c 磁极下的齿又分别与转子齿错开 三分之一齿距。接着停止对b 相绕组通电，而改为c 相绕组通电，同理受反应转矩 的作用，转子按顺时针方向再转过3 0 。依次类推，当三相绕组按a b c a 顺 序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3 0 的规律步进式转动起 来。