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1、. . 基于FPGA的电机控制指导老师： 设计了一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的电机控制系统。简单介绍了步进电机和直流电机的工作原理和工作特点，并根据两种电机的不同特性设计了基于FPGA的不同的控制电路：以改变频率来控制步进电机的转速；调节脉冲的占空比大小改变输出电压的大小，从而达到控制直流电机的转速的目的。关键字：FPGA 步进电机 直流电机 电机控制 PWMDesign of the Motor-Control Based on FPGAAbstract: the electromotor control system is designed based on FPGA.This p
2、aper simply introduces the principle and the characrers of current-motor and step-motor.And whats more,different control circuits based FPGA are designed accordering to the different characteristic of current-motor and step-motor. The rotate speed of step-motor is controlled by changing frequency .T
3、he output-voltage changes accordering to the rate of impulses,and so the aim to control the rotate of current-motor achieve.Keyword : step-motor motor-control PWM FPGA目录1.系统设计 31.1 功能介绍 3 1.2 电机控制简介 31.2.1步进电机的控制 31.2.2直流电机的控制 3 1.3总体设计方案 4 1.3.1总体设计思路41.3.2方案论证与比较42.单元电路设计 72.1.步进电机驱动电路72.2.直流电机驱动电
4、路 83.软件设计8 3.1实现方法 83.2 程序流程图 94.系统测试105.结论及参考文献 105.1.结论:105.2.参考文献:106.附录 10前言步进电机：一般，电动机都是连续旋转，而步进电动机却是一步一步转动的。每输入一个脉冲信号，步进电机就将电脉冲信号转变为角位移或线位移。在正常情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使它在速度、位置等控制领域应用非常广泛。步进电动机的种类很多，按励磁方式可分为反应式、永磁式和感应子式；按相数分则可分为单相、两相和多相
5、三种。 直流电机：目前，直流电动机在控制系统中的应用十分广泛。直流电动机的工作原理比较简单：当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转子中电枢的电流的方向和大小，就可以控制直流电动机的转动方向和转动速度。电枢电流为零时直流电机则停止不动。1.系统设计1.1 功能简介 一、基本功能（1）步进电机能够在四相八拍工作方式下连续运行。（2）能实现步进电机正反转及速度变换。（3）能够实现直流电机的正反转及速度调节（4）显示电机工作状态1.2电机控制简介1.2.1步进电机的控制步进电机能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，不需要A/D 转换，步进电机的空载启动频
6、率一般较高，而运行频率相对来说较低，以超过空载频率启动将出现失步甚至无法启动。为了保证控制速度的精确性,要从一个速度准确达到另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度.步进电机的脉冲分配:步进电机的脉冲分配是通过电机的通电换相来实现的。例如：四相步进电机的八拍工作方式，当电机正转时，其各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,当电机反转时，其各相通电相序为A-AD-D-DC-C-CB-B-BA。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到频率较低时才换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉
7、冲前发出。步进电机的转速控制：步进电机的转速控制实际上就是控制触发脉冲的频率。当脉冲的频率升高时，电机转速增加，当脉冲的频率降低时，电机的转速变慢。1.2.2直流电机的控制直流电机具有很好的线性调速特性，简单的控制性能。控制直流电动机的转动方向比较简单，只需使驱动电路控制直流电源正接、反接，便可以达到对方向的控制。直流电机转速n的表达式为式中U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；-每极磁通量；K-电机结构参数。由式可得，直流电机的转速控制方法可以分为两类：一类是对励磁通进行控制的厉磁控制法即改变磁通，一类是对电枢电压进行控制的电枢控制法即改变电枢电压U。现在一般采用后面一种方法。1
8、.3总体设计方案1.3.1总体设计思路用于控制的电机是致远电子公司生产的电机实验仪：DP-51MOTOR(带有驱动电路,我们可以另外设计驱动电路)。为了实现对电机的控制，我们没有去做FPGA最小控制系统，而是直接采用F致远电子有限公FPGA实验仪：DP-FPGA。关键问题是如何产生对电机的控制信号。 1.3.2方案论证与比较一控制部分的方案论证方案一、用逻辑电路实现。用定时芯片产生脉冲，用组合和时序电路实现对脉冲的分配及频率的调节。整个电路用到的分立元件较多，电路构成复杂，不易焊接，且电路的抗干扰能力较差。方案二：采用单片机作为核心控制部件。单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。对于脉冲的产
9、生及分配，频率的调节，转速及状态的改变都可以由单片机实现，不必再分别用分立元器件实现。但是按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O向驱动电路发出控制脉冲，在电机的运行过程中要不停的产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法进行其它工作。方案三、用FPGA作控制部件，FPGA控制外围电路简单，整体性能好，有更好的稳定性好。精度高，抗干扰能力强。显然第三种方案具有更大的优越性，灵活性，经比较采用第三种方案。二.功率驱动电路的方案论证为了便于控制,我们把步进与直流电机的驱动电路做在一块PCB板子上。由于从FPGA的I/O中出来的电流较少，不足以驱动电机，或者能够驱动起来，但功率达不到要
10、求。对于直流电机的驱动方案，有一个非常精典的驱动电路,不做过多论证。即采用由晶体管功率放大器8050和8550组成的H型PWM电路。用FPGA控制晶体管功率放大器使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机的转速，这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制；电子开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛应用的PWM调速技术。下面就步进电机的驱动作如下论证。方案一：单电压驱动。单电压驱动是指电机在工作时，只用一个电压源对绕组供电。如下图所示。 步进电机单电压驱动它的特点是电路最简单。电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流
11、减小。可在R1两端并联一个电容C，这样就可使电流的上升波形变陡，改善了高频特性。该电路一般只适用于小功率步进电机的驱动。方案二：斩波恒流驱动 斩波驱动原理图T1是一个高频开关管，T2开关管的发射极接一只小电阻R0。以上的驱动过程表现为；T2每导通一次，T1导通多次，绕组的电流波形为：在T2导通的时间里，电源是脉冲式供电，提高了电源效率，并且能在效抑制共振。但是，由于电流波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪声。经比较，单电压驱动电路简单，比较适合小功率驱动，正好适合本设计的要求。所以采用方案一。经过上面的比较与论证，可以得出电机控制的总方框图LED显示直流电机直流驱动FPGA最小系统按键步进驱动步
12、进电机2.单元电路设计2.1.步进电机驱动电路 步进电机的驱动电路如下图所示,其驱动电路原理为：从FPGA出来的脉冲信号按一定的顺序分别接到晶体管Q3-Q6的基极，四个8050的集电极分别有四个相应的信号输出，并接到电机的1、4、3、6脚，2、5脚接高电平。我们要求的电机的工作方式为四相八拍。正转各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，则只要依次通1110-1100-1101-1001-1011-0011-0111-0110-1110脉冲序列。反转也可以此类推。则电机在脉冲序列信号的作用下按预定方向转动,通过改变脉冲序列信号的快慢即频率来控制步进电机转速。 步进电机驱动原理图
13、2.2.直流电机驱动电路 直流电机驱动原理图P1为直流电机的选择信号，即直流电机的总控制信号。当P1为高电平时，就是让直流电机处于工作状态。当P2输入为低电平，P3输入为高电平时，晶体管功率放大器Q2、Q5导通，Q3、Q4截止。Q2、Q5与电机J10一起形成一个回路。从而驱动电机正转。当P2输入为高电平，P3输入为低电平时，晶体管功率放大器Q2、Q5截止，Q3、Q4导通，Q3、Q4与电机J10形成回路，驱动电机反转。从FPGA的I/O口中输出的电压只有3.3V，若功放管的基极直接与FPGA的I/O口相连，则控制电压最高为3.3V，再加上晶体管本身的压降，加到电动机两端的电压就更少了，电动机的驱动力明显不够.。因此，我们运用了TLP521-2光耦集成芯片，将控制部分与电机的驱动部分隔离开来，这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到大大的加强。3软件设计 3.1实现方法总控制模块是采用VHDL语言在DP-FPGA实验板上编程。通过对各个按键的选择来实现各种功能。总的控制模块就是一个对不同按键的响应程序。共有
