基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核制造技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核，其采用数字正弦信号为调制波，数字等腰三角信号为载波信号的双极性SPWM调制方式，内部采用DDS系统作为正弦信号发生器，以及a、b、c三相分时复用乘法器和正弦数据表的电路结构，产生三相六路SPWM脉冲输出；通过调整频率控制字和分频系数实现细分控制和速度控制，通过地址分相模块实现转向控制；系统共有13个输入信号和7个输出信号，输入信号负责从上位机接收控制字信息，输出端负责为三相混合式步进电机的驱动系统输出三相六路SPWM控制信号；整个系统分为12个模块。本发明专利技术使得三相混合式步进电机的运行平稳性和定位精度得到了进一步的提高。

Soft core of three phase hybrid stepping motor controller based on FPGA

The invention discloses a stepper motor controller based on FPGA soft core three-phase hybrid step, using digital sinusoidal signal to digital signal modulation wave, the isosceles triangle is a bipolar SPWM modulation of the carrier signal, the internal use of the DDS system as a sine signal generator, and a, B, C three-phase time division multiplexing multiplier and sine data the circuit structure, produce three-phase six SPWM pulse output; by adjusting the frequency control word and the frequency factor to realize subdivision control and speed control, realize steering control through the address phase module; system has 13 input signals and 7 output signals, the input signal is responsible for receiving the control word information from the host computer, the output end is responsible for drive system output three-phase six SPWM control signal for three-phase hybrid step motor; the whole system is divided into 12 modules. The present invention makes the running stability and the positioning accuracy of the three-phase hybrid stepping motor further improved.

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核
本专利技术涉及电机控制，具体涉及一种基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核。
技术介绍
所谓IP核即IntellectualProperty(知识产权)就是已经完成并进行验证过的复杂的模块。著名美国Dataquest咨询公司把基于半导体的IP定义为在专用集成电路ASIC或可编程逻辑器件FPGA/CPLD中的预先设计好的电路模块。IP核按照成果形式分为硬核、固核以及软核三种形式。1.硬核以提交的可作为库中的元器件作为成果形式，是IP模块的最深层次。其优点是容易得到实现，可集成至单片的系统设计，并且功能可以后期持续优化，面积较小，易于量产。缺点是功能及性能指标固定，灵活性差，用户不能修改模块参数以适应实际需求的变化。2.固核以可综合的逻辑模块作为成果形式，是设计实现了门级综合、时序仿真等阶段的功能模块，以门级网表的形式提交用户使用。其优点在于只要用户与固其使用同一个生产线的单元，IP应用的成功率会比较高。缺点是只有局部参数可以调整，灵活性较差。3.软核以硬件描述语言代码描述文本作为软核成果的形式其通过了仿真验证，用户可以使用它得到正确的门级网表。其优点是便于携带，不受现实条件的局限，给用户预留最大的创新空间，让用户可以完成更具创意的结构设计。缺点为因不涉及具体实现的载体，所以对模块的预测性较低，增加了用户在后续设计中引入差错的可能性，提高了设计风险。IP软核的开发工作量与硬核和固核相比相对较少，准入门槛较低，一般开发成本低，柔性较大(如可增加特性以及选择工艺)，同时容易从一种工艺向另一种工艺转化，并且性能可提高。IP软核特点如下：(1)IP软核具有独立的知识产权，是完整IP库的单元基础。(2)IP软核由硬件描述语言(例如：VHDL、VERILOG等)写成，可读性较好、易于推广、易于升级、具有良好的可持续发展前景。(3)IP软核的应用能够提高设计效率，大幅缩短产品的开发周期，使超大规模的系统级芯片的设计成为可能。(4)IP软核的应用在增强企业技术实力和竞争力、提高技术人员水平、提升企业知名度等方面提供强有力的帮助。根据世界两大主要的FPGA生产厂商Xinlinx和Altera公布的消息，FPGA即将进入高k金属栅技术的28nm工艺时代，FPGA的作用已经不仅仅是过去系统接口部件，而是将FPGA灵活地应用于系统级核心功能芯片设计之中。在这样的大背景下，国际知名的FPGA厂家在高密度FPGA的发展上，主要强调FPGA的IP硬核和IP软核两个方面。目前具有IP核的系统级FPGA的研发主要体现在FPGA厂商把完成版图设计功能的单元模块的IP硬核嵌入到FPGA器件中和扩充优化利用硬件描述语言设计并经过验证的功能单元模块的IP软核。用户可以直接使用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，高效地完成复杂的片上系统设计。目前国内外对基于IP核的研究开发现多集中于诸如单片机、ARM等通用处理器以及锁相环、乘法器等通用数字器件，而对于专业性较强的特殊控制器和数字部件的IP核的研究较少，相关文章更是寥寥可数。IP的有效应用是缩短产品设计周期的一个有效途径。从TheEDAConsortium的统计数据分析可得IP产品的销售是当今世界EDA工业中增长最快的一个领域。IP应用与复杂系统设计是IC设计业中一个绝对的发展趋势。因此本设计拟采用大规模可编程逻辑器件FPGA，针对三相混合式步进电机，设计一款集转速转向控制与SPWM调制细分控制于一体的控制器IP软核，以改善当前控制器采用手动调节细分数、细分数固定等不合理的方面。所以，将基于FPGA器件的IP核运用于现代电机控制，进行电机控制器的集成化研究将是未来电机控制领域的一个重要发展方向，它不光具有理论意义，而且具有重要的经济意义。失步和振荡是混合式步进电机常见的两个问题，它严重的影响着混合式步进电动机的运行性能，以至于使步进电机的应用范围受到了限制，所以提高运行的稳定性和抑制低频振荡是应该得到重视和研究的问题，下面我们分析一下这两个问题。1.振荡问题步进电机的转子在到达稳定的平衡位置后往往还会具有额外的转子动能，恰恰就是这些额外的动能就是造成步进电机低频振荡的主要原因。这些多余的转子动能与步进电机的低频振荡现象是成正比关系的。当混合式步进电动机在运行时，它的转子的振荡现象是逐渐衰减的。对于混合式步进电机来说，每次使各相绕组的通电状态改变，它的转子都会转过一个步距角，假如步进电动机的运行存在低频振荡现象，那么因为存在振荡问题，步进电机的转子是不会准确及时的停在平衡位置的，它会根据振荡的频率在平衡位置周围经过几次振荡才会停在平衡位置。在每次有脉冲信号输入时，跃变的转矩曲线就会给混合式步进电动机的转子补充能量。所以，在低频工作时步进电动机的运行就像强迫振荡。假如步进电机的自由振荡频率与输入的脉冲信号的频率很接近的时候，在首个脉冲信号的作用时间内，步进电动机转子的振荡现象是逐渐衰减的，它会经过一个周期的振荡后回到原来的平衡位置，所以经过这一个周期的振荡，振幅将会被衰减。此时下一个脉冲信号就会到来，转矩曲线也会转过一个步距角，步进电动机的转子也会在上次衰减后的剩余的能量和新获得的能量的共同作用下在新稳定的平衡位置周围做振荡运动，由于不断输入脉冲信号，转子也会不断的做衰减的振荡。而且起始振幅会越来越大，就算第一步不失步，后面也有可能出现失步的可能。步进电动机的自由振荡参数是固然存在的，所以只要自由振荡频率与输入的脉冲信号的频率很接近时，步进电机就会出现振荡现象。因此我们应尽量不让步进电机工作再低频振荡区内。当步进电机工作在高频区时，在高频运行的一些区域里，有的时候步进电动机会出现比较严重的振荡现象导致步进电机无法正常工作，也出现失步的可能，这就是高频振荡。步进电机出现高频振荡是因为有谐波电磁转矩，步进电机的谐波电磁转矩是很丰富的，而且会发生变化，所以它会更进一步的影响步进电机的振荡现象。对于抑制混合式步进电机的振荡现象也有很多人在研究，主要有以下这些方法：(1)增加阻尼(2)采用位置或者速度死循环控制(3)采用细分驱动技术2.失步造成混合式步进电机失步的主要原因有两个：第一个是转子的转速比旋转磁场的速度低。也就是说，步进电机在开始启动时，如果输入脉冲信号的频率比较高，此时步进电机无法获得足够的能量，以至于旋转磁场的速度转子不能达到，所以会出现失步现象，每个步进电机都有启动频率，如果超过启动频率就会出现失步现象，启动频率并不是一个固定的值，我们可以通过改变启动频率来避免失步现象的出现，改变启动频率的方法有减小步距角和减小负载转动惯量；第二个是步进电机转子的平均速度比旋转磁场的速度快。在突然改变转子方向和制动的情况下会出现这种情况，这是因为步进电机的转子会获得过多的能量，而产生过冲，以至于出现失步现象。为了避免失步现象的发生，我们有以下的解决方法：(1)减小步距角，也就是步距角细分技术；(2)增强阻尼，将振动的振幅控制在动稳定区内；(3)提高脉冲信号的频率，将它的触发时刻控制在动稳定区内。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：基于FPGA的三相混合式步进电本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核，其特征在于，采用数字正弦信号为调制波，数字等腰三角信号为载波信号的双极性SPWM调制方式，内部采用DDS系统作为正弦信号发生器，以及a、b、c三相分时复用乘法器和正弦数据表的电路结构，产生三相六路SPWM脉冲输出；通过调整频率控制字和分频系数实现细分控制和速度控制，通过地址分相模块实现转向控制；系统共有13个输入信号和7个输出信号，输入信号负责从上位机接收控制字信息，输出端负责为三相混合式步进电机的驱动系统输出三相六路SPWM控制信号；整个系统分为12个模块，包括控制字输入模块、分频模块、相位累加模块、ROM正弦数据表模块、地址发生器模块、地址分相模块、乘法器模块、锁存器模块、地址分相模块、比较器模块、延时模块、锁存输出模块。

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核，其特征在于，采用数字正弦信号为调制波，数字等腰三角信号为载波信号的双极性SPWM调制方式，内部采用DDS系统作为正弦信号发生器，以及a、b、c三相分时复用乘法器和正弦数据表的电路结构，产生三相六路SPWM脉冲输出；通过调整频率控制字和分频系数实现细分控制和速度控制，通过地址分相模块实现转向控制；系统共有13个输入信号和7个输出信号，输入信号负责从上位机接收控制字信息，输出端负责为三相混合式步进电机的驱动系统输出三相六路SPWM控制信号；整个系统分为12个模块，包括控制字输入模块、分频模块、相位累加模块、ROM正弦数据表模块、地址发生器模块、地址分相模块、乘法器模块、锁存器模块、地址分相模块、比较器模块、延时模块、锁存输出模块。2.如权利要求1所述的基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核，其特征在于，所述分频模块用于根据接收到的来自单片机的分频系数控制字fpx，对输入系统时钟信号进行2n+1分频(n＝0-7)，以供后面的模块三角载波产生、正弦波产生、分相逻辑的使用；具体分频系数为：2、4、8、16、32、64、128、256分频。3.如权利要求1所述的基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核，其特征在于，所述三角载波模块用于产生数字三角载波信号，在三角波的一个周期内有509个点，可用加减计数器实现一个周期有509个点的三角载波，其中，计数器的计数脉冲由分频模块提供，其频率为fd，三角载波的频率为fcarry＝fd/509。4.如权利要求1所述的基于FPGA的三相混合式步进电机控制器软核，其特征在于，所述控制字输入模块采用状态机编程技术，采用Moore型状态机，实现从上位机分7次接收7个8位控制字，并将这7个控制字分别存入寄存器R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7；其中R1至R4为DDS正弦信号频率控制字，共32位，其中R1位最高8位，R4为最低8位；R5为调制度控制字，R6为脉冲延时控制字，R7为分频系数控制字前7个脉冲将7个控制字以正弦信号频率控制字、调制度控制字、脉冲延时控制字、分频系数控制字的顺序输入至FPGA，第8个脉冲上升沿时同时写入寄存器R1至R7...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新刚，余颖，李立新，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：河北,13