基于FPGA步进电机细分驱动控制(7)

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候却不是，无论wr为何值时，rate都为 “0011\。要避免这种情况，应该这样写： If wr =` 1'Then Rate<=\ Else

Rate<=”xxxx”， End If；

此外，要强调的是：VHDL是硬件描述语言，它虽然看上去象是编写基于CPU来运行的软件编程语言，但实质上是有根本区别的。所以，不能用编写软件的思维去编写VHDL语言。一个用VHDL语言设计的程序能否通过综合并实现到具体器件上，与其写法有很大的关系。同一个程序，能在这种器件上实现并不一定代表就能在别的器件上也能实现。编写VHDL程序还要了解一下目标器件的结构特征。

2，用于综合的VHDL程序和用于仿真的VHDL程序的差异，实际的器件，哪怕是宣称局部速度能达到几GHz的高端FPGA器件，它们的门与门之间，触发器与触发器之间乃至总线传输都存在着延迟的。延迟的时间大小与电路复杂度和所选用的器件有关。所以才有了不考虑延迟的逻辑功能仿真和考虑时间延迟的时序仿真。为了模拟实际情况，有些VHDL程序往往有After xx ns之类的语句，这类程序可以用来仿真，不过最终实现到器件中这类语句是被忽略的，因为综合软件无法根据实际的器件来实现所写的延迟时间。还有些写法纯粹是只能用来仿真，而不能综合。所以，编写VHDL程序的时候要考虑到这些问题。

3.4.4 VHDL语言的组成以及编程的基础

VHDL基本语句主要包括以下几种： 1，赋值语句 2，IF语句 3，CASE语句 4，LOOP语句 5，NEXT语句 6，EXIT语句 7，WAIT语句

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8，子程序调用语句 VHDL并行语句包括以下几种： 1，并行信号赋值语句 2，块语句

3，并行过程调用语句 4，元件例化语句 5，生成语句

3.5本章小结

本章主要介绍了EDA的发展历程和可编程器件的组成，同时更加详细的介绍了FPGA的结构和组成原理，也简要的说明了FPGA可编程器件的应用。最后详细的说明了VHDL语言的定义和组成部分。同时也介绍了用VHDL语言怎样去编程。

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第四章 步进电机细分驱动系统的硬件设计

4.1 驱动系统的组成

步进电机驱动系统的主要构成如图所示，一般山环形分配器、信号处理级、推动级，输入电路、驱动级、保护级等部分组成

脉冲 步进电机控制器 功率放大器 步进电机 方向控制 图4-1步进电机的驱动系统

信号放大与处理 推动级

输入电路 环形分配驱动器 保 护 图4-2 驱动器的组成

环形分配器的一个功能是用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电机状态转换表所要求的状态顺序产生各相导通或关断信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次，环形分配器的另一个功能是根据来自控制器的方向信号来确定其输出的状态转换是按照正序或者反序进行。

从环形分配器输出的各相导通或关断信号送入信号处理级。这一级既要将来自环形分配器的信号放大到足以驱动推动级，又要对信号进行一些处理以产生如斩波、抑制等特殊功能信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。

推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。

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有时，推动级还承担电平转换的任务。驱动级接收来自推动级的信号，控制电动机各相绕组的导通和关断，同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。

保护级的作用是保护驱动级的安全，这一级一般提供过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等功能，有时还要提供对输入信号进行监护，发现输入异常也提供保护动作。

4.2驱动系统的总体方案设计

目前己有的细分驱动器多为模拟系统，由于模拟元器件的一致性差，使步进电机的 A,，B,，C三相控制器特性不对称，降低了控制性能，也增加了调试工作的复杂程度。本设计采用全数字化控制方式，由一块 FPGA芯片直接输出三相 SPWM 信号以控制驱动模块产生合适的电流使电机正常工作，完成正、反转、变细分步数及电流幅值变换等功能。

根据前面的讨论，电机 A，B， C绕组的电流是阶段性的正弦阶梯波电流，通过改变给定电流的每一次变化的阶梯数就可以实现可变细分功能。该驱动器的任务就是控制电机绕组的电流，使之按正弦阶梯波的规律变化。例如上位机每给一个步进脉冲，A，B，C绕组的电流沿正弦阶梯波前进一步，电机转动一个步距角；上位机不给脉冲，则 A，B，C绕组电流保持不变，电机停止并稳定在某一位置。为了达到控制绕组电流的目的，我们必须在设计中引入电流反馈，驱动器的系统框图如图4-1所示，FPGA接受来自上位机的步进脉冲及其它控制信号。6路 PWM 输出经过光电耦合后输入到 IPM 驱动模块控制电机的绕组电流。电机的绕组电流被采样后变成电压信号，再经滤波后输入到电流传感器IR2175中，IR2175输出占空比变化的PWM波，经过光电耦合后输入到 FPGA中，FPGA根据输入的PWM波的占空比的值确定反馈电流的大小。

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输入电路 串口 FPGA 配置 IPM 电机 IR2175 电路 图4-3驱动器的系统图

由于数据处理及控制部分均在 FPGA 中实现，因此该控制器必须具有在线调节能力才能方便使用。例如 PI参数的设定是必须通过修改 FPGA内部特定寄存器的数值才可能改变，在电机运行时直接将数据发送到 FPGA中会使PI参数的选取很容易。为了增加控制的灵活性，FPGA必须采用两种以上的配置方式，分别是从PC机进行配置，从驱动器上的配置芯片进行配置。

4.3各子模块电路的设计

按照上节提出的总体方案，硬件设计任务可以分解成如下几个模块 (1)主回路及驱动电路的设计

(2)电流测量电路设计以及反馈电路的设计 (3)主控制芯片及周边电路设计 (4)光电隔离接口设计 (5)电源方案设计

4.3.1主回路及驱动电路的设计

系统的主电路采用交-直-交电压型逆变电路形式，主要由不可控整流桥、滤波电容、逆变器以及混合式步进电机等组成。不可控整流桥和滤波电容一起构成直流电压源，完成恒频恒压(CFCV)交流电源到直流电源的变换。逆变器实现直流电到变频变压

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