FPGA的电机控制 (1)

FPGA最小系统按键步进驱动直流驱动LED显示直流电机步进电机电机控制总框图电机简介•步进电机：步进电机就是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、两相和多相三种。步进电机工作方式•由于使用的是四相步进电机，其工作方式有四相四拍，四相八拍及正反转多种方式。为了保证控制精度及电机有足够转矩，采用四相八拍工作方式四相八拍正转A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A四相八拍反转A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A步进转速•已知电机的齿数为50，则四相电机八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度的尺度则可以计算出步进电机的每分钟转速数据•转速计算n=60f/(ZR*N),其中ZR为转子齿数，N为运行拍数，f是控制脉冲的频率.•可见，步进电动机转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与其它因素无关。当转子齿数与工作拍数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围较宽。•ZR*N=360/θb=360/0.9=400,所以n=60f/400.可调频率为10~400Hz,故转速为1.25-60r/min.功能简介•（1）步进电机能够在四相四拍及四相八拍工作方式下运行。•（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）显示电机工作状态电机控制简介•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起动。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。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；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ф，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。在本设计中，我们采用PWM的调制法来改变电压大小。KIRUn•驱动方案比较•单元电路设计•软件设计总体设计方案•总体设计思路•用于控制的电机是广州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广州致远电子有限公司的FPGA实验仪：DP-FPGA。•关键问题是如何产生对电机的控制信号。功率驱动电路的方案论证•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，但功率达不到要求。所以必须设计功率驱动电路。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。光耦在本设计中的应用•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。TLP521为光耦芯片步进电机的驱动论证。•单电压驱动•斩波恒流驱动步进电机驱动电路直流电机驱动电路软件设计总控制模块是采用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。共有复位RESET键，步进与直流电机选择SLECT键，正反选择ALT,启动SHIFT键，速度选择SPEED键五个按键经验•做好一个设计，整体框架要清晰明确，不能一拿到题目，就一通搞起来，这样往往事倍功半。•要有团队合作精神，组员之间要多交流。不足系统测试部分没做好论方写作水平有限，有待提高红外感应部分做了，但还没完全成功