基于FPGA的步进电机加减速控制器的设计
《基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计与现实》范文
《基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计与现实》篇一一、引言步进电机作为现代自动化系统中的关键元件，广泛应用于精密定位、自动化装配和机器人技术等领域。
步进电机驱动器是控制步进电机运动的核心部件，而基于FPGA（现场可编程门阵列）控制的步进电机细分驱动器则因其高集成度、可编程性和高性能等特点，逐渐成为研究热点。
本文将详细介绍基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计与实现过程。
二、系统设计概述本系统设计的主要目标是实现步进电机的细分驱动，以提高电机的运动精度和稳定性。
系统主要由FPGA控制器、步进电机、驱动电路和电源电路等部分组成。
其中，FPGA控制器负责接收上位机指令，对步进电机的运动进行精确控制；驱动电路则负责将FPGA控制器的输出信号转换为电机所需的驱动信号。
三、硬件设计1. FPGA控制器设计FPGA控制器是本系统的核心部件，其设计主要包括接口电路、控制逻辑和存储器等部分。
接口电路负责与上位机进行通信，接收控制指令；控制逻辑则根据指令对步进电机的运动进行精确控制；存储器用于存储程序和数据。
2. 驱动电路设计驱动电路是连接FPGA控制器和步进电机的桥梁，其设计需要考虑电机的驱动要求、电源电压和电流等因素。
本系统采用H 桥驱动电路，通过控制H桥的通断来实现电机的正反转和停转。
3. 电源电路设计电源电路负责为整个系统提供稳定的电源电压。
本系统采用开关电源和线性电源相结合的方式，以保证电源的稳定性和可靠性。
四、软件设计1. FPGA程序设计FPGA程序是控制步进电机运动的关键，其设计主要包括电机控制算法、通信协议和驱动程序等部分。
本系统采用Verilog HDL语言编写FPGA程序，通过编程实现对步进电机的精确控制。
2. 上位机软件设计上位机软件负责发送控制指令给FPGA控制器，其设计主要包括通信接口、控制界面和指令生成等部分。
本系统采用C语言编写上位机软件，通过串口或网络与FPGA控制器进行通信，实现对步进电机的远程控制。
基于 FPGA 的步进电机控制系统设计
基于 FPGA 的步进电机控制系统设计摘要：步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或线位移的机电元件，因其具有成本低、易于精确控制、无累积误差等优点，在生产、生活中的很多领域有广泛应用。
本文以两相混合式步进电机为控制对象，在分析步进电机的特点和工作原理的基础上，设计了基于 FPGA 的两轴联动控制和细分驱动控制的实现方案。
关键词：步进电机；两轴联动；细分驱动1 步进电机的控制原理步进电机的控制原理可归纳为以下两点：（1）换相顺序的控制，通电状态的切换。
这一过程称为“脉冲分配”。
如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相绕组通电顺序为 A-B-C-D-A。
控制电机 A、B、C、D 相的控制脉冲应严格按照这一顺序执行，如果通电顺序按 A-D-C-B-A，则电机的转向发生改变，即控制步进电机的通电顺序可控制步进电机的转动方向。
（2）步进电机的速度控制。
步进电机的转动快慢和控制脉冲信号的频率有关，当步进电机接收到一个控制脉冲信号，它就转动一步，再来一个脉冲，它会再转一步。
发出的两个脉冲信号的时间间隔越短，步进电机的转动就越快。
调整控制器发出的脉冲信号的频率，就可以对步进电机进行调速控制。
2 步进电机的两轴联动插补控制采用插补算法实现对多个设备的联动控制，是目前常使用的一种方法。
插补是指在起点和终点之间插入一些中间点的过程。
通过插补算法的分析比较，本文设计的方案采用数字积分直线插补算法，基于 VerilogHDL 语言设计了步进电机两轴联动控制的 DDA 程序，并结合步进电机的工作方式，来实现基于 FPGA 的步进电机两轴联动控制。
该设计方案有利于步进电机的并行控制和实时控制。
2.1 步进电机联动控制的设计方案为了验证 DDA 插补的可行性，本文结合步进电机的工作方式进行验证。
图2.1是联动控制系统的方框图。
控制系统电路中主要包含了三大模块：分频器、DDA插补器和步进电机工作方式控制器。
步进电机需要脉冲信号来驱动，但是FPGA开发板上提供的有源晶振频率一般是50MHz，这个频率不能驱动步进电机运转，必须进行分频。
基于FPGA的步进电机控制器设计
基于FPGA的步进电机控制器设计步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特殊电机，每改变一次通电状态，步进电机的转子就转动一步。
目前大多数步进电机控制器需要主控制器发送时钟信号，并且要至少一个I／O 口来辅助控制和监控步进电机的运行情况。
在单片机或DSP 的应用系统中，经常配合CPLD 或者FPGA 来实现特定的功能。
本文介绍通过FPGA 实现的步进电机控制器。
该控制器可以作为单片机或DSP 的一个直接数字控制的外设，只需向控制器的控制寄存器和分频寄存器写入数据，即町实现对步进电机的控制。
1 步进电机的控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合对数字系统的控制。
步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由各类控制器来产生。
其基本原理作用如下：①控制换相顺序，通电换相。
这一过程称为脉冲分配。
例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D。
通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D 相的通断，控制步进电机的转向。
如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转；如果按反序换相通电，则电机就反转。
②控制步进电机的速度。
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
2 控制器的总体设计控制器的外部接口电路如图1 所示。
各引脚的功能如下：控制器的内部原理框图如图2 所示，由命令字寄存器(Cmd_reg)、分频系数备份寄存器(fdiv_back)、分频器、相位输出状态机组成。
基于FPGA的步进电动机加减速控制器
Ｚ Ａ Ｇ Ｂｎ ， ｉｌ ｎ ＴＡ ｉｎ Ｈ Ｎ ｉ ＤＵ Ｑ －ｉ ｇ，ＩＮ Ｌａ ａ （ ｏ ｔ Ｃ ｉａＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅｈ ｏｏｙ Ｇ ａｇｈ ｕ５ ０ ４ ， ｈｎ ） Ｓ ｕ ｈｎ ｎｖ ｓ ｙ ｆ ｃ ｎ ｌ ， ｕ ｎ ｚｏ ６ １ Ｃ ｉａ ｈ ｅ ｉ Ｔ ｇ １
ｇ ａ ｅ ｃ ｎ ｔ ｃｅ ｈ ａｄ ａ ｅ ｌ ｇｃ ｌｃｒ ｕ ｔ ｏ ｈ ｔｐ ｅ ｔ ｒｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｉｃ ｕ ｉｇ Ｓ Ｉ ｃ ｍｍｕ ｉａｉ ｎ ｏ ｎ ｅ ｕ ｇ ｏ ｓｒ ｔｄ ｔ ｅ ｈ ｒ ｗ ｒ ｏ ｉａ ｉ ｉ ｆｔ ｅ ｓ ｐ ｒｍｏｏ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｎ ｌ ｄ ｎ Ｐ ｏ ｕ ｃ ｓ ｅ ｎ ｃ ｔ ，ｃ ｕ ｔ ｒ ｏ
ｃ ｏ ｅ ＩＦＰＧＡ． Ｗ ｉ ｈ ｒ ｇ ａ ｌ ｎ ｔ ｔｅ ｐ ｏ ｒ ｍｍａ ｌ ｏ ｉ ｕｎ ｔｏ ｆＦＰＧＡ ｎ ｈ ｈ ｒ ｃｅｉ ｔｃ ｆｓｅ ｅ ｔｒｃ ｎｒ ｌｅ ，ＨＤＬ ａ ｈ ｂ ｅ ｌｇｃ ｆ ｃ ｉｎ ｏ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｔｐｐ ｒｍｏｏ ｏ ｔｏ ｌｒ ｌｎ‘
表明 ， 在加减速过程 中加速度与速度 的平稳性有 了较大 的改善 ， 并且 占用很 少的逻辑单元 。
关键词 ： 步进 电动机 ； 减速 ； 加 现场可编程 门阵列 ； 物线算法 抛 中图分类号 ： Ｍ３ ３６ Ｔ ８ ． 文献标识码 ： Ａ 文章编 号 ：０４ ７ １ （０２）８ ０７ － ４ １０ － ０ ８ ２ １ ０ － ０ １ ０
摘
要： 为解决步进 电动机加减速控制问题 ， 给出了基 于抛物线算 法的 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实现方案 ， 并在一片常用 的可编程
基于FPGA的步进电机控制器设计
基于FPGA的步进电机控制器设计步进电机是一种常见的电动机，具有精准控制和高可靠性的特点。
而FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以实现复杂逻辑功能。
结合FPGA和步进电机进行控制，可以实现更高精度和更灵活的控制方式。
首先，步进电机的控制需要确定三个参数：步进角度、步进速度和步进方向。
FPGA可以通过编程的方式实现对这些参数的实时控制。
基于FPGA的步进电机控制器设计需要实现以下几个模块：1.步进电机驱动器：这个模块负责将FPGA输出的控制信号转换为适合步进电机的电压和电流。
可以使用高驱动能力的电路来驱动步进电机，确保电机可以正常运行。
2.位置控制器：这个模块负责根据输入的步进角度和方向控制步进电机的转动。
可以使用计数器和比较器来实现精确的角度控制，通过FPGA 的编程方式可以实时调整步进角度和方向。
3.速度控制器：这个模块负责调整步进电机的转动速度。
可以使用定时器和计数器来实现一个精确的时间基准，通过调整计数器的数值来控制步进电机的速度。
FPGA的编程方式可以实时调整步进速度。
4.通信接口：这个模块负责与外部设备进行通信。
可以使用UART、SPI或者I2C等通信协议，通过FPGA的外部接口与其他设备进行交互。
以上几个模块可以通过FPGA内部的硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行编程实现。
通过FPGA的编程方式，可以实时调整步进电机的控制参数，提高步进电机的精度与稳定性。
但是，基于FPGA的步进电机控制器设计也存在一些挑战。
首先是硬件资源的限制，FPGA的资源有限，需要合理分配资源，确保系统的运行效率和稳定性。
其次是时序设计的复杂性，步进电机的精确控制需要高频率的脉冲信号，要求FPGA具备快速响应和高速计数的能力。
综上所述，基于FPGA的步进电机控制器设计可以实现精确控制和高可靠性，并且具有灵活性和可编程性，可以适应不同的应用场景。
《基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计与现实》范文
《基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计与现实》篇一一、引言随着科技的飞速发展，步进电机已经成为现代工业自动化领域中不可或缺的驱动装置。
步进电机细分驱动器作为步进电机控制的核心部分，其性能的优劣直接影响到步进电机的运行精度和效率。
传统的步进电机驱动器通常采用微控制器或DSP进行控制，但这些方案在处理高速、高精度的运动控制时存在一定局限性。
因此，本文提出了一种基于FPGA（现场可编程门阵列）控制的步进电机细分驱动器设计方案，并对其设计与实现进行详细阐述。
二、系统设计1. 硬件设计本系统主要由FPGA控制器、步进电机驱动模块、电源模块、信号采集与反馈模块等组成。
其中，FPGA控制器是整个系统的核心，负责接收上位机发送的控制指令，并通过算法计算出适当的细分控制信号，驱动步进电机进行精确运动。
步进电机驱动模块采用高电压、大电流的H桥电路，以实现对步进电机的有效驱动。
2. 软件设计软件设计主要包括FPGA程序设计、信号采集与处理算法设计等。
FPGA程序设计采用硬件描述语言（HDL）进行编写，实现步进电机的精确控制。
信号采集与处理算法则用于实时监测步进电机的运行状态，并将数据反馈给FPGA控制器，以便进行实时调整。
三、FPGA控制算法设计1. 细分控制算法步进电机的细分控制是提高其运行精度的重要手段。
本系统采用基于FPGA的细分控制算法，通过精确控制步进电机的相序和通电时间，实现步进电机的细分数可调。
同时，通过优化算法，降低电机的振动和噪音，提高电机的运行平稳性。
2. 运动控制算法运动控制算法是实现步进电机精确运动的关键。
本系统采用基于PID（比例-积分-微分）算法的运动控制策略，通过实时调整PID参数，实现对步进电机的精确位置和速度控制。
同时，通过引入前馈控制策略，进一步提高系统的响应速度和抗干扰能力。
四、系统实现与测试1. 硬件实现根据系统设计，完成FPGA控制器、步进电机驱动模块、电源模块、信号采集与反馈模块等硬件电路的搭建与调试。
基于FPGA的PWM加减速控制实现
基于FPGA的PWM加减速控制实现2021.09.02最近在做直线电机的控制，是基于FPGA来实现的，简单学习了PWM控制电机的⼀些知识，开始尝试上⼿。
控制⽅式：开环控制；容易实现。
控制步进电机，FPGA输出控制PWM脉冲的脉冲频率和脉冲数，使得电机按照⼀定的速度移动到⽬标位置。
但是，在⾼速运动的过程中，如果没有加减速或者加减速控制不合理，电机就有可能出现失步或者过冲，表现为：猛冲、电机卡死、报错，或者运动停⽌后回颤，所以需要选⽤合适的加减速算法。
在步进电机的开环应⽤中，常⽤的加减速算法（S曲线、T型曲线、指数曲线），根据已有经验，研究以下三种类型：（个⼈理解sin为S曲线的⼀种，当然T型也可以认为是S曲线的⼀种特殊种类）加减速算法实现⽅式S曲线加速/减速开始时速度⽐较缓慢，然后逐渐加快T型曲线匀加速。
sin曲线和s曲线类似，实现简单。
根据三种算法，⾸先采⽤Matlab进⾏仿真，为了便于测试性能，做了⼀个gui，通过协议直接控制FPGA的PWM输出，并进⾏测试。
以下为gui界⾯显⽰：1.S型曲线可以调节不同的平滑度：2.T型曲线3.sin曲线为了⽅便，gui显⽰出了：（1）加减速总时间；（2）匀速运动时间（3）加减速的脉冲总数（4）加减速所占总时间的⽐例。
ok，⼯具准备好了，那就可以测试了，测试不同的加减速时间、不同的加减速类型、不同的启停速度、最⼤速度等。
结果不太理想。
经过实际测试发现：1. T型曲线、S型曲线、sin曲线在实际加减速效果上，平滑效果，从视觉上看，是差不多的；2. 加减速时间越长，越能达到理想的平滑效果；3. S型曲线，需要⼤量调试参数，参能达到好的效果。
问题：1. 从理论上讲，S曲线应该更加平滑，为什么实际的视觉效果并不明显，甚⾄给出的感觉还不如T型曲线，为什么？参数不合理？肯定是哪⾥不对？还需要再学习更多相关的知识；继续调试测试，待有确定的结论，再来总结。
未经本⼈同意，不得转载，谢谢合作！。
基于FPGA的步进电机控制系统设计
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.本文以四相六线步进电机为控制对象，在分析步进电机的特点和工作原理的基础上,选用型号为TS3103TC100—3的步进电机和型号为 EP1K10T100—3的FPGA,来实现基于FPGA技术对步进电机系统的设计和控制。
本文提出了用型号为EP1K10T100-3的FPGA 为核心的控制方法设计四相步进电机的外围驱动电路控制系统，并利用VHDL语言编写步进电机的控制时序电路,使用四个机械式按键对步进电机进行转速、方向等的控制，实现步进电机的加减速和常速步进角度的控制，步进电机最少转动1.8度.而且系统的可移植性优越,可靠性强。
为了实现设计，按照FPGA设计流程进行编写和仿真实现，电路的设计和输入应用了VHDL编程语言，在Quartus II软件上进行了波形仿真，验证了设计的可行性并实现了步进电机的控制。
【关键词】步进电机、FPGA 、VHDL、仿真Stepper motor as the actuator is one of the key mechanical and electrical integration products, widely used in a variety of automatic control systems. With the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor demand grow with each passing day, has been applied in various fields of national economy。
Based on the six line four phase stepper motor as the control object，based on the characteristics and working principle analysis of stepping motor，the TS3103TC100-3 model for the stepping motor and the model for the EP1K10T100—3 FPGA, to realize the FPGA technology to the design and the stepper motor control system based on. This paper presents control method for model FPGA EP1K10T100—3 as the core of the design of four phase step motor drive peripheral circuit control system, the control circuit and the use of VHDL language of the stepper motor，the use of four mechanical buttons to control the stepper motor speed，direction，realize the stepper motor acceleration speed and constant speed control of step angle of stepping motor rotation, at least 1.8 degrees. And the system’s portability advantages, strong reliability。
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基于FPGA的步进电机加减速控制器的设计
引言
几十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景。
由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。
此外，步进电机还广泛应用于诸如打印机、雕刻机、绘图仪、绣花机及自动化仪表等。
正因为步进电机的广泛应用，对步进电机的控制的研究也越来越多，在启动或加速时若步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，产生堵转或失步；在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。
为防止堵转、失步和超步，提高工作频率，要对步进电机进行升降速控制。
本文介绍一个用于自动磨边机的步进电机升降速控制器，由于考虑了通用性，它可以应用于其他场合。
从步进电机的矩频特性可知，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。
要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。
因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。
特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。
而以前升速和降速大多选择按直线规律，采用这种方法时，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。
在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。
在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降，所以直线就不是理想的升降速曲线。
因此，按直线规律升降速这种方法虽然简单，但是它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能最大限度的发挥电机的加速性能。
本系统寻求一种基于FPGA控制的按指数规律升降速的离散控制算法，经多次运行，达到预期目标。
1 加减速控制算法
1．1 加减速曲线
本设计按照步进电机的动力学方程和矩频特性曲线推导出按指数曲线变化的升降速脉冲序列的分布规律，因为矩频特性是描述每一频率下的最大输出转矩，即在该频率下作为负载加给步进电机的最大转矩。
因此把矩频特性作为加速范围下可以达到(但不能超过)的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的分布规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。
这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，即能够对最大的力矩进行跟随，能充分的发挥步进电机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。
由步进电机的动力学方程和矩频特性曲线，在忽略阻尼转矩的情况下，可推导出如下方程：
式中，
为转子转动惯量，K为假定输出转矩按直线变化时的斜率，τ为决定升速快慢的时间常数，在实际工作中由实验来确定。
fm为负载转矩下步进电机的最高连续运行频率，步进电机必须在低于该频率下运行才能保证不失步。
(1)式为步进电机的升速特性，由此方程可绘制出电机升速曲线。
(1)式表明驱动脉冲的频率f应随时间t作指数规律上升，这样就可以在较短的时间内使步进电机的转速上升至要求的运行速度。
鉴于大多数的步进电机的矩频特性都近似线性递减的，所以上述的控制规律为最佳。
1．2 加减速离散处理
在本系统中，FPGA使用分频器的方式来控制步进电机的速度，升降速控制实际上是不断改变分频器初载值的大小。
指数曲线由于无法通过程序编制来实现，可以用阶梯曲线来逼近升速曲线，不一定每步都计算装载值。
如图1所示，纵坐标为频率，单位是步/秒，其实反映了转速的高低。
横坐标为时间，各段时间内走过的步数用N来表示，步数其实反映了行程。
图中标出理想升速曲线和实际升速曲线。
步进电机的升速过程可按以下步骤进行处理。
(1)若实际运行速度为fg，从(3．4)式中可算出升速时间为：
(2)将升速段均匀地离散为n段即为阶梯升速的分档数，上升时间为tr，则每档速度保持时间为：
程序执行过程中，对每档速度都要计算在这档速度应走的步数，然后以递减方式检查，即每走一步，每档步数减1。
当减至零时，表示该档速度应走的步数己走完，应进入下一档速度。
一直循环到给出的速度大于或等于给定的速度为止。
减速过程与升速过程刚好相反。
2 频率脉冲的实现
频率脉冲模块的核心是可控分频器，由外部的晶振产生标准频率，只要在分频器的输入端输入相应的分频系数，就可以得到所需的频率。
本模块是利用VHDL 硬件描述语言，通过QuartusII开发平台，使用Altera公司的FPGA，设计了一种能够满足上述各种要求的较为通用的可控分频器。
图2为分频器的原理图，图3为分频器的仿真波形图。
3 结语
基于硬件描述语言VHDL设计的控制器具有开发设计周期短、风险低、系统集成度高、功耗低等优点，将是芯片设计的主流方向。
开放式数控系统中，研究实现能硬件复用的加减速模块以及相关功能模块，利用可编程逻辑器件FPGA的可重构能力，能按需求灵活实现功能全定制的运动控制芯片。
本文设计了自动磨边机中的指数加减速控制器。
在此基础上，只需扩展相应个数的加减速模块即可实现多轴联动加减速控制。