CN105577052B - 一种基于fpga的步进电机无抖动驱动控制系统及基于该系统的控制方法 - Google Patents
一种基于fpga的步进电机无抖动驱动控制系统及基于该系统的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统及基于该系统的控制方法，涉及步进电机控制领域。解决了传统步进电机控制系统无法避免驱动时序控制精准性差和对外通信接口不够丰富和电气系统结构复杂的问题。该系统上位机通过串行通信总线与FPGA控制器实现数据交互，FPGA控制器向数字信号隔离模块输出脉冲信号、方向信号、使能信号和模式信号，数字信号隔离模块的控制信号输出端与步进电机驱动模块的控制信号输入端连接，步进电机驱动模块驱动外部电机，电源隔离模块分别与FPGA控制器、数字信号隔离模块和步进电机驱动模块连接。采用FPGA和集成步进电机功率驱动芯片，极大降低步进电机控制驱动系统的电气结构复杂性，同时兼顾多种串行通信方式拓展能力。
Description
技术领域
本发明涉及步进电机控制领域。
背景技术
步进电机是一种常用的机电元件，通过电脉冲信号来对相绕组电流进行控制，进而完成定角转动控制，与其他类型的电机进行相比，步进电机具有许多优点，比如较易于实现开环精确控制和无积累误差等，因此在各种各样的领域中都有步进电机广泛的应用，其中采用单片机作为控制核心的控制系统居多。这类控制系统往往软件和中断服务的方式进行步进电机驱动逻辑的时序控制，具有消耗CPU资源多、对外通信接口不够丰富和时序控制精准性差等缺点。因此有学者提出通过单片机和CPLD组合或单片机和FPGA组合的方式，即软硬件结合方式输出控制时序，保证时序控制的精准性。然而又会导致电气系统过于复杂等问题。进而有学者开始展开采用FPGA作为核心部件的步进电机控制系统研究，不过关注点往往集中在细分控制技术方面。
发明内容
本发明为了解决传统步进电机控制系统无法避免驱动时序控制精准性差和对外通信接口不够丰富和电气系统结构复杂的问题，提出了一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统及基于该系统的控制方法。
一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统包括上位机、FPGA控制器、电源隔离模块、数字信号隔离模块和步进电机驱动模块，所述上位机通过串行通信总线与FPGA控制器实现数据交互，FPGA控制器向数字信号隔离模块输出脉冲信号PULUp、方向信号DIR、使能信号ENA和模式信号M1、M2和M3，数字信号隔离模块的控制信号输出端与步进电机驱动模块的控制信号输入端连接，步进电机驱动模块驱动外部电机，电源隔离模块分别与FPGA控制器、数字信号隔离模块和步进电机驱动模块连接。
所述FPGA控制器包括串行通信控制接口模块、Nios软处理模块、步进电机驱动控制接口模块和计时器，所述串行通信控制接口模块通过串行通信总线与上位机实现数据交互，Nios软处理模块通过Avalon总线分别与串行通信控制接口模块、步进电机驱动控制接口模块和计时器实现数据交互。
所述步进电机驱动控制接口模块包括：
用于控制参数写入进程的控制参数写入进程模块；
用于控制参数更新进程的控制参数更新进程模块；
用于控制输出进程的控制输出进程模块；
用于接收控制参数写入进程模块发送的信号，并对该信号进行存储的控制模式寄存器ControlMode_reg；
用于驱动时序计数的驱动时序计数器TimerCounter_reg；
用于接收控制参数更新进程模块发送的信号，并对该信号进行存储的单脉冲控制周期参数寄存器ControlPeriod_reg；
用于对当前通信周期的期望单脉冲周期参数进行存储的当前通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器NewPeriod_reg；
用于对上一个通信周期的期望单脉冲周期参数进行存储的上一个通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器HistoryPeriod_reg；
用于控制参数更新进程模块启动的控制参数更新进程模块启动模块StartUpdataProcess_bit；
用于控制参数更新进程模块停止的控制参数更新进程模块停止模块EndUpdataProcess_bit。
基于上述一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法，所述方法包括：
步骤一、上位机完成步进电机运动规划，并获得单脉冲期望周期参数；
步骤二、上位机通过串行通信总线下传控制指令；
步骤三、由FPGA控制器根据接收到的控制指令，完成步进电机驱动模块的控制逻辑输出，并回传当前的状态信息。
有益效果：本发明提出了一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统及其实现方法；通过采用FPGA和集成步进电机功率驱动芯片，极大降低步进电机控制驱动系统的电气结构复杂性，同时兼顾多种串行通信方式拓展能力；通过软硬件语言相结合的编程的方式，实现精准的驱动时序控制；通过采用电源隔离和数字信号隔离技术，提高控制系统的抗干扰能。由上位机完成步进电机运动规划，计算出每个通信周期所对应的步进电机单脉冲周期参数，通过串行通信总线下传给控制器；FPGA控制器主要完成步进电机驱动器的驱动逻辑输出。为了避免步进电机的单脉冲周期参数直接更新可能引起输出脉冲周期急剧变化，进而引起步进电机抖动的问题，提出基于通信时序和驱动时序相关的步进电机驱动控制接口模块构建方法。该方法通过比较当前通信时刻对应底层驱动时序和当前单脉冲周期参数以及上一时刻单脉冲周期参数之间的相互关系，更新底层单脉冲控制周期参数，实现步进电机无抖动驱动。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为步进电机驱动控制接口模块的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统包括上位机1、FPGA控制器2、电源隔离模块3、数字信号隔离模块4和步进电机驱动模块5，所述上位机1通过串行通信总线与FPGA控制器2实现数据交互，FPGA控制器2向数字信号隔离模块4输出脉冲信号PULUp、方向信号DIR、使能信号ENA和模式信号M1、M2和M3，数字信号隔离模块4的控制信号输出端与步进电机驱动模块5的控制信号输入端连接，步进电机驱动模块5驱动外部电机，电源隔离模块3分别与FPGA控制器2、数字信号隔离模块4和步进电机驱动模块5连接。
具体实施方式二、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的区别在于，所述FPGA控制器2包括串行通信控制接口模块6、Nios软处理模块7、步进电机驱动控制接口模块8和计时器9，所述串行通信控制接口模块6通过串行通信总线与上位机1实现数据交互，Nios软处理模块7通过Avalon总线分别与串行通信控制接口模块6、步进电机驱动控制接口模块8和计时器9实现数据交互。
具体实施方式三、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的区别在于，所述步进电机驱动控制接口模块8包括：
用于控制参数写入进程的控制参数写入进程模块；
用于控制参数更新进程的控制参数更新进程模块；
用于控制输出进程的控制输出进程模块；
用于接收控制参数写入进程模块发送的信号，并对该信号进行存储的控制模式寄存器ControlMode_reg；
用于驱动时序计数的驱动时序计数器TimerCounter_reg；
用于接收控制参数更新进程模块发送的信号，并对该信号进行存储的单脉冲控制周期参数寄存器ControlPeriod_reg；
用于对当前通信周期的期望单脉冲周期参数进行存储的当前通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器NewPeriod_reg；
用于对上一个通信周期的期望单脉冲周期参数进行存储的上一个通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器HistoryPeriod_reg；
用于控制参数更新进程模块启动的控制参数更新进程模块启动模块StartUpdataProcess_bit；
用于控制参数更新进程模块停止的控制参数更新进程模块停止模块EndUpdataProcess_bit。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的区别在于，控制参数写入进程模块基于系统时钟sys_clk和写“使能”write_n，读取地址总线address_bus和数据总线data_bus上的数据，进而配置ControlMode_reg、NewPeriod_reg、HistoryPeriod_reg和StartUpdataProcess_bit；
控制参数更新进程模块基于sys_cλk信号，读取TimerCounter_reg、NewPeriod_reg、HistoryPeriod_reg和StartUpdataProcess_bit中的数据，经过预处理后，配置ControlPeriod_reg和EndUpdataProcess_bit；
控制输出进程模块基于sys_clk信号，根据ControlMode_reg和ControlPeriod_reg中的数据，实现信号PULUp、DIR、ENA、M1、M2和M3的逻辑输出，同时更新TimerCounter_reg。
本发明中，除Nios软处理模块由C语言编写外，其他模块均采用硬件描述语言VHDL编写；串行通信控制接口模块工作在从模式，接收完上位机下传的数据后，通过中断触发方式与Nios软处理模块进行交互。
具体实施方式五、基于具体实施方式四所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法包括以下步骤：
步骤一、上位机1完成步进电机运动规划，并获得单脉冲期望周期参数；
步骤二、上位机1通过串行通信总线下传控制指令；
步骤三、由FPGA控制器2根据接收到的控制指令，完成步进电机驱动模块5的控制逻辑输出，并回传当前的状态信息。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法的区别在于，所述串行通信控制接口模块工作在从模式，接收完上位机下传的数据后，通过中断触发方式与Nios软处理模块进行交互。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法的区别在于，Nios软处理模块的工作流程为：
步骤A、初始化控制处理模块各个接口模块、启动计数器；
步骤B、判断计时器9的值是否小于阈值，是，则执行步骤D，否，则执行步骤C；
步骤C、暂停计时器9，清空步进电机控制脉冲周期参数，并写入步进电机控制接口模块；
步骤D、判断是否接到上位机1数据，是，则执行步骤E，否，则执行步骤B；
步骤E、读取串行通信控制接口模块6中的数据，而后回传当前状态数据；
步骤F、清空计时器9，并重启计时器9，更新步进电机控制参数，并写入步进电机控制接口模块，返回执行步骤B。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法的区别在于，控制参数写入进程模块、控制参数更新进程模块和控制输出进程模块都是由sys_clk信号触发进程。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法的区别在于，其特征在于，
所述控制参数写入进程模块的工作流程为：
步骤I、判断sys_clk是否为上升沿，是，则执行步骤II，否，则退出该进程；
步骤II、判断write_n是否有效，是，则执行步骤III，否，则退出该进程；
步骤III、根据address_bus，判断是否更新单脉冲期望期望参数和控制模式参数，若满足更新单脉冲期望期望参数的条件，则先将NewPeriod_reg赋值给HistoryPeriod_reg，再将data_bus的数据赋值给NewPeriod_reg，后将EndUpdataProcess_bit取反赋值给StartUpdataProcess_bit，并退出该进程；若满足更新控制模式参数的条件，则将data_bus的数据赋值给ControlMode_reg，并退出该进程；
所述控制参数更新进程模块的工作流程：
步骤a、判断sys_clk是否为上升沿，是，则执行步骤b，否，则退出该程序；
步骤b、判断StartUpdataProcess_bit是否等于EndUpdataProcess_bit取反，是，则执行步骤c，否，则退出该进程；
步骤c、判断NewPeriod_reg是否为空，是，则执行步骤d，否，则执行步骤e；
步骤d、清空ControlPeriod_reg，同时将EndUpdataProcess_bit取反赋值给EndUpdataProcess_bit，并退出该进程；
步骤e、判断TimerCounter_reg是否同时小于NewPeriod_reg>>1和HistoryPeriod_reg>>1，是，则执行步骤f，否，则执行步骤g；
步骤f、将NewPeriod_reg赋值给ControlPeriod_reg，同时将EndUpdataProcess_bit取反赋值给EndUpdataProcess_bit；
步骤g、判断HistoryPeriod_reg>>1是否大于NewPeriod_reg加上NewPeriod_reg>>1的和，是，则执行步骤h，否，则退出该进程；
步骤h、判断TimerCounter_reg是否同时满足大于NewPeriod_reg和小于HistoryPeriod_reg>>1减去NewPeriod_reg>>1的差值，是，则执行步骤i，否，则退出该进程；
步骤i、将NewPeriod_reg赋值给ControlPeriod_reg，同时将EndUpdataProcess_bit取反赋值给EndUpdataProcess_bit，并退出该进程；
所述控制输出进程模块的工作流程：
步骤1、判断sys_clk是否为上升沿，是，则执行步骤2，否，则退出该进程；
步骤2、首先，将ControlMode_reg中的对应控制位分别赋值给信号DIR、ENA、M1、M2和M3；然后，判断ControlMode_reg中的步进电机使能位是否为‘0’，是，则执行步骤3，否，则执行步骤4；
步骤3、PULUp赋值为‘0’，同时清空TimerCounter_reg和计数单元；
步骤4、计数单元累加‘1’，每完成TimerCounter_reg的一个时间单位循环计数后，清空计数器，同时TimerCounter_reg累加‘1’；判断TimerCounter_reg是否大于等于ControlPeriod_reg，是，则执行步骤5，否，则执行步骤6；
步骤5、清空TimerCounter_reg，PULUp赋值为‘0’，并退出该进程；
步骤6、判断TimerCounter_reg是否小于ControlPeriod_reg>>1，如果是，则执行步骤7，否，则执行步骤8；
步骤7、将PULUp赋值为‘0’，并退出该进程；
步骤8、将PULUp赋值为‘1’，并退出该进程。
本发明中，数字信号隔离模块可围绕数字隔离芯片ADUM1410BRWZ构建而成；FPGA控制器可采用EP3C25F256I7构建而成；步进电机驱动模块可围绕集成驱动芯片THB6128构建而成，通过调节电位计实现输出相电流和衰减模式可调，通过拨码开关完成细分设定，采用直流9～32V供电，适合驱动电流小于2A的两相混合式步进电机。
Claims (7)
1.一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统，它包括上位机(1)、FPGA控制器(2)、电源隔离模块(3)、数字信号隔离模块(4)和步进电机驱动模块(5)，所述上位机(1)通过串行通信总线与FPGA控制器(2)实现数据交互，FPGA控制器(2)向数字信号隔离模块(4)输出脉冲信号(PULUp)、方向信号(DIR)、使能信号(ENA)和模式信号(M1、M2和M3)，数字信号隔离模块(4)的控制信号输出端与步进电机驱动模块(5)的控制信号输入端连接，步进电机驱动模块(5)驱动外部电机，电源隔离模块(3)分别与FPGA控制器(2)、数字信号隔离模块(4)和步进电机驱动模块(5)连接；其特征在于，所述步进电机驱动控制接口模块(8)包括：
用于控制参数写入进程的控制参数写入进程模块；
用于控制参数更新进程的控制参数更新进程模块；
用于控制输出进程的控制输出进程模块；
用于接收控制参数写入进程模块发送的信号，并对该信号进行存储的控制模式寄存器(ControlMode_reg)；
用于驱动时序计数的驱动时序计数器(TimerCounter_reg)；
用于接收控制参数更新进程模块发送的信号，并对该信号进行存储的单脉冲控制周期参数寄存器(ControlPeriod_reg)；
用于对当前通信周期的期望单脉冲周期参数进行存储的当前通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器(NewPeriod_reg)；
用于对上一个通信周期的期望单脉冲周期参数进行存储的上一个通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器(HistoryPeriod_reg)；
用于控制参数更新进程模块启动的控制参数更新进程模块启动模块(StartUpdataProcess_bit)；用于控制参数更新进程模块停止的控制参数更新进程模块停止模块(EndUpdataProcess_bit)。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统，其特征在于，所述FPGA控制器(2)包括串行通信控制接口模块(6)、Nios软处理模块(7)、步进电机驱动控制接口模块(8)和计时器(9)，所述串行通信控制接口模块(6)通过串行通信总线与上位机(1)实现数据交互，Nios软处理模块(7)通过Avalon总线分别与串行通信控制接口模块(6)、步进电机驱动控制接口模块(8)和计时器(9)实现数据交互。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统，其特征在于，控制参数写入进程模块基于系统时钟(sys_clk)和写“使能”(write_n)，读取地址总线(address_bus)和数据总线(data_bus)上的数据，进而配置控制模式寄存器(ControlMode_reg)、当前通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器(NewPeriod_reg)、上一个通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器(HistoryPeriod_reg)和控制参数更新进程模块启动模块(StartUpdataProcess_bit)；
控制参数更新进程模块基于系统时钟(sys_clk)信号，读取驱动时序计数器(TimerCounter_reg)、当前通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器(NewPeriod_reg)、上一个通信周期的期望单脉冲周期参数寄存器(HistoryPeriod_reg)和控制参数更新进程模块启动模块(StartUpdataProcess_bit)中的数据，经过预处理后，配置单脉冲控制周期参数寄存器(ControlPeriod_reg)和控制参数更新进程模块停止模块(EndUpdataProcess_bit)；
控制输出进程模块基于系统时钟(sys_clk)信号，根据控制模式寄存器(ControlMode_reg)和单脉冲控制周期参数寄存器(ControlPeriod_reg)中的数据，实现输出脉冲信号(PULUp)、方向信号(DIR)、使能信号(ENA)、模式信号(M1、M2和M3)的逻辑输出，同时更新驱动时序计数器(TimerCounter_reg)。
4.基于权利要求3所述的一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、上位机(1)完成步进电机运动规划，并获得单脉冲期望周期参数；
步骤二、上位机(1)通过串行通信总线下传控制指令；
步骤三、由FPGA控制器(2)根据接收到的控制指令，完成步进电机驱动模块(5)的控制逻辑输出，并回传当前的状态信息。
5.根据权利要求4所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法，其特征在于，所述串行通信控制接口模块(6)工作在从模式，接收完上位机(1)下传的数据后，通过中断触发方式与Nios软处理模块(7)进行交互。
6.根据权利要求5所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法，其特征在于，Nios软处理模块(7)的工作流程为：
步骤A、初始化控制处理模块各个接口模块、启动计数器；
步骤B、判断计时器(9)的值是否小于阈值，是，则执行步骤D，否，则执行步骤C；
步骤C、暂停计时器(9)，清空步进电机控制脉冲周期参数，并写入步进电机控制接口模块；
步骤D、判断是否接到上位机(1)数据，是，则执行步骤E，否，则执行步骤B；
步骤E、读取串行通信控制接口模块(6)中的数据，而后回传当前状态数据；
步骤F、清空计时器(9)，并重启计时器(9)，更新步进电机控制参数，并写入步进电机控制接口模块，返回执行步骤B。
7.根据权利要求6所述的基于一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统的控制方法，其特征在于，控制参数写入进程模块、控制参数更新进程模块和控制输出进程模块都是由系统时钟(sys_clk)信号触发进程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |