CN111987948A - 一种利用fpga实现对步进电机精准控制的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统及方法，属于步进电机控制技术领域，包括FPGA器件、功率器件与步进电机；所述FPGA器件，用于产生精准驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号传输给所述功率器件；所述功率器件，用于通过放大脉冲信号的驱动能力来驱动所述步进电机的线圈，从而实现对所述步进电机的精准控制。本发明利用了FPGA器件的可编程性，可以在不需要变动硬件架构的情况下实现驱动脉冲信号的任意编辑，通过改变输出脉冲的频率、顺序和逻辑组合，从而更方便地控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度；并且在驱动不同功率的步进电机时，只需要更换功率器件的规格就可以实现，普适性很强，值得被推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及步进电机控制技术领域，具体涉及一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统及方法。
背景技术
步进电机是常用电机的一种，步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。
现有的步进电机的控制方法主要采用单片机等可编程器件作为控制器来进行控制，上述可编程器件对步进电机进行控制时存在一定的弊端，可编程器件的门电路数是有限的，这样在驱动不同功率的步进电机时，经常会因可编程器件与步进电机不匹配而需要更换控制器，这样就给步进电机的控制工作带来了麻烦，因此，提出一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何更精准方便地完成对步进电机的控制工作，提供了一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括FPGA器件、功率器件与步进电机；
所述FPGA器件，用于产生精准驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号传输给所述功率器件，所述FPGA器件为系统中的控制元件；
所述功率器件，用于通过放大脉冲信号的驱动能力来驱动所述步进电机的线圈，从而实现对所述步进电机的精准控制；
所述步进电机，用于接收经所述功率器件放大后的脉冲信号，所述步进电机是系统中的执行元件，在驱动不同功率的步进电机时，只需要更换功率器件的规格就可以实现，普适性很强；
所述FPGA器件通过所述功率器件与所述步进电机相连接，驱动脉冲信号由FPGA器件输出，经所述功率器件放大后，其驱动能力提高，从而驱动所述步进电机转动，由于采用FPGA器件作为控制器来控制步进电机，利用了FPGA器件的可编程性，可以在不需要变动硬件架构的情况下实现驱动脉冲信号的任意编辑，通过改变输出脉冲的频率、顺序和逻辑组合，从而更方便地控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度。
优选的，所述功率器件的规格与所述步进电机的功率相匹配。
优选的，所述FPGA器件的内部包括有多个逻辑块，多个逻辑块根据对所述步进电机的控制要求进行连接，使用者可以根据需要通过可编辑的连接把所述FPGA器件内部的逻辑块连接起来，进而使所述FPGA器件可以完成所需要的逻辑功能，以此来实现对所述步进电机运动状态的精准控制。
一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，包括以下步骤：
S1：编辑驱动脉冲产生程序
利用编程软件完成对驱动脉冲产生程序的编辑工作；
S2：输出驱动脉冲信号
将步骤S1中的驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，这样便可以使FPGA器件输出具有特定规律的驱动脉冲信号；
S3：放大脉冲信号的驱动能力
步骤S2中的驱动脉冲信号传输到功率器件中进行放大，使脉冲信号的驱动能力得到放大；
S4：驱动步进电机转动
步进电机的线圈在接收到经功率器件放大的驱动脉冲信号后带动步进电机转动，实现对步进电机的精准控制工作。
优选的，在所述步骤S1中，编程软件为QUARTUS、ISE与ISPLEVER中任一种。
优选的，在所述步骤S2中，将驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，完成了对FPGA器件中多个逻辑块的连接工作，从而使输出的驱动脉冲信号具有特定规律。
优选的，在所述步骤S1中，具有特定规律的驱动脉冲信号为不同频率、不同电平状态以及不同导通方式的驱动脉冲信号。
优选的，在所述步骤S3中，功率器件为功率放大器。
优选的，在所述步骤S4中，实现对步进电机的精准控制工作即控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度。
本发明相比现有技术具有以下优点：该利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，由于采用FPGA器件作为控制器来控制步进电机，利用了FPGA器件的可编程性，可以在不需要变动硬件架构的情况下实现驱动脉冲信号的任意编辑，通过改变输出脉冲的频率、顺序和逻辑组合，从而更方便地控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度；并且在驱动不同功率的步进电机时，只需要更换功率器件的规格就可以实现，普适性很强，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意框图；
图2是本发明实施例中的实施流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-2所示，本实施例提供一种技术方案：一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，FPGA器件、功率器件与步进电机；
所述FPGA器件，用于产生精准驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号传输给所述功率器件，所述FPGA器件为系统中的控制器；
所述功率器件，用于通过放大脉冲信号的驱动能力来驱动所述步进电机的线圈，从而实现对所述步进电机的精准控制；
所述步进电机，所述步进电机为三相步进电机，用于接收经所述功率器件放大后的脉冲信号，所述步进电机是系统中的执行元件，在驱动不同功率的步进电机时，只需要更换功率器件的规格就可以实现，普适性很强；
所述FPGA器件通过所述功率器件与所述步进电机相连接，驱动脉冲信号由FPGA器件输出，经所述功率器件放大后，其驱动能力提高，从而驱动所述步进电机转动，由于采用FPGA器件作为控制器来控制步进电机，利用了FPGA器件的可编程性，可以在不需要变动硬件架构的情况下实现驱动脉冲信号的任意编辑，通过改变输出脉冲的频率、顺序和逻辑组合，从而更方便地控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度。
所述功率器件的规格与所述步进电机的功率相匹配，比如可以用MOONS’的功率器件SR3来驱动对应的型号为AM17HD4452-02N的步进电机。
所述FPGA器件的内部包括有多个逻辑块，多个逻辑块根据对所述步进电机的控制要求进行连接，使用者可以根据需要通过可编辑的连接把所述FPGA器件内部的逻辑块连接起来，进而使所述FPGA器件可以完成所需要的逻辑功能，以此来实现对所述步进电机运动状态的精准控制。
本实施例还提供了一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，包括以下步骤：
S1：编辑驱动脉冲产生程序
利用编程软件完成对驱动脉冲产生程序的编辑工作；
S2：输出驱动脉冲信号
将步骤S1中的驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，这样便可以使FPGA器件输出具有特定规律的驱动脉冲信号；
S3：放大脉冲信号的驱动能力
步骤S2中的驱动脉冲信号传输到功率器件中进行放大，使脉冲信号的驱动能力得到放大；
S4：驱动步进电机转动
步进电机的线圈在接收到经功率器件放大的驱动脉冲信号后带动步进电机转动，实现对步进电机的精准控制工作。
在所述步骤S1中，本实施例采用的编程软件为QUARTUS9.0。
在所述步骤S2中，将驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，完成了对FPGA器件中多个逻辑块的连接工作，从而使输出的驱动脉冲信号具有特定规律，该驱动脉冲信号能够使三相步进电机以三相单三拍的方式旋转。
该三相步进电机的绕组联接方式为Y型，转子的齿数为4个，该三相步进电机的三相绕组中的通电顺序为AB相到BC相到CA相，当经功率器件放大的一个驱动脉冲信号使AB相绕组导通时，AB相绕组的两组齿方向上的磁通经转子形成闭合回路，此时在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子并带动转子转动，当转子上的两齿位于定子AB相上同侧的两齿中间时，转子停止转动；当经功率器件放大的一个驱动脉冲信号使AB相绕组导通时，BC相绕组的两组齿方向上的磁通经转子形成闭合回路，此时在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子并带动转子转动，当转子上的两齿位于定子BC相上同侧的两齿中间时，转子停止转动；当经功率器件放大的一个驱动脉冲信号使CA相绕组导通时，CA相绕组的两组齿方向上的磁通经转子形成闭合回路，此时在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子并带动转子转动，当转子上的两齿位于定子AB相上同侧的两齿中间时，转子停止转动，在相邻驱动脉冲之间，转子转过30°，因此，此时该三相步进电机的步距角为30°。
需要说明的是，该三相步进电机的转子与一丝杠相连接，丝杠的外部螺纹连接有滑块，滑块上安装有点胶头，现需要使该三相步进电机在4s内完成三个点胶点位的往复点胶工作。
使用者通过QUARTUS9.0软件在计算机上编写驱动脉冲产生程序，使所述FPGA器件输出驱动脉冲的一个循环周期为4S，在一个循环周期中，所述FPGA器件输出三组驱动脉冲信号，第一组为三个正脉冲信号，第二组为一个空脉冲信号，第三组为三个负脉冲信号，三个正脉冲信号依次驱动AB、BC、CA相通电，空脉冲信号使三相步进电机保持不动，三个负脉冲信号依次驱动CA、BC、AB相通电，将所述FPGA器件通过串口线与功率放大器的输入端连接起来，然后再将功率放大器的输出端与三相步进电机连接起来，将驱动脉冲产生程序烧录至所述FPGA器件中，再启动所述FPGA器件，此时所述FPGA器件便会输出上述规律的驱动脉冲，从而带动丝杠转动，进而使滑块上安装的点胶头到达指定点位，对工件进行往复点胶工作。
在所述步骤S3中，功率器件为功率放大器。
在所述步骤S4中，实现对步进电机的精准控制工作即控制该三相步进电机的正反转与转动速度。
实施例二
本实施例提供一种技术方案：一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，FPGA器件、功率器件与步进电机；
所述FPGA器件，用于产生精准驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号传输给所述功率器件，所述FPGA器件为系统中的控制器；
所述功率器件，用于通过放大脉冲信号的驱动能力来驱动所述步进电机的线圈，从而实现对所述步进电机的精准控制；
所述步进电机，所述步进电机为三相步进电机，用于接收经所述功率器件放大后的脉冲信号，所述步进电机是系统中的执行元件，在驱动不同功率的步进电机时，只需要更换功率器件的规格就可以实现，普适性很强；
所述FPGA器件通过所述功率器件与所述步进电机相连接，驱动脉冲信号由FPGA器件输出，经所述功率器件放大后，其驱动能力提高，从而驱动所述步进电机转动，由于采用FPGA器件作为控制器来控制步进电机，利用了FPGA器件的可编程性，可以在不需要变动硬件架构的情况下实现驱动脉冲信号的任意编辑，通过改变输出脉冲的频率、顺序和逻辑组合，从而更方便地控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度。
所述功率器件的规格与所述步进电机的功率相匹配，比如可以用MOONS’的功率器件SR3来驱动对应的型号为AM17HD4452-02N的步进电机。
所述FPGA器件的内部包括有多个逻辑块，多个逻辑块根据对所述步进电机的控制要求进行连接，使用者可以根据需要通过可编辑的连接把所述FPGA器件内部的逻辑块连接起来，进而使所述FPGA器件可以完成所需要的逻辑功能，以此来实现对所述步进电机运动状态的精准控制。
本实施例还提供了一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，包括以下步骤：
S1：编辑驱动脉冲产生程序
利用编程软件完成对驱动脉冲产生程序的编辑工作；
S2：输出驱动脉冲信号
将步骤S1中的驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，这样便可以使FPGA器件输出具有特定规律的驱动脉冲信号；
S3：放大脉冲信号的驱动能力
步骤S2中的驱动脉冲信号传输到功率器件中进行放大，使脉冲信号的驱动能力得到放大；
S4：驱动步进电机转动
步进电机的线圈在接收到经功率器件放大的驱动脉冲信号后带动步进电机转动，实现对步进电机的精准控制工作。
在所述步骤S1中，本实施例采用的编程软件为QUARTUS9.0。
在所述步骤S2中，将驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，完成了对FPGA器件中多个逻辑块的连接工作，从而使输出的驱动脉冲信号具有特定规律，该驱动脉冲信号能够使三相步进电机以三相双三拍的方式旋转。
该三相步进电机的三相绕组中的通电顺序为AB相到BC相到CA相，当经功率器件放大的一个驱动脉冲信号使AB相绕组导通时，AB相绕组的两组齿方向上的磁通经转子形成闭合回路，此时在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子并带动转子转动，当转子上的两齿位于定子AB相上同侧的两齿中间时，转子停止转动；当经功率器件放大的一个驱动脉冲信号使AB相绕组导通时，BC相绕组的两组齿方向上的磁通经转子形成闭合回路，此时在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子并带动转子转动，当转子上的两齿位于定子BC相上同侧的两齿中间时，转子停止转动；当经功率器件放大的一个驱动脉冲信号使CA相绕组导通时，CA相绕组的两组齿方向上的磁通经转子形成闭合回路，此时在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子并带动转子转动，当转子上的两齿位于定子AB相上同侧的两齿中间时，转子停止转动，在相邻驱动脉冲之间，转子转过30°，因此，此时该三相步进电机的步距角为30°。
需要说明的是，该三相步进电机的转子与一丝杠相连接，丝杠的外部螺纹连接有滑块，滑块上安装有点胶头，由于工件的加工要求，现需要使该三相步进电机在2s内完成6个点胶点位的往复点胶工作。
使用者通过QUARTUS9.0软件在计算机上编写驱动脉冲产生程序，使所述FPGA器件输出驱动脉冲的一个循环周期为2S，在一个循环周期中，所述FPGA器件输出三组驱动脉冲信号，第一组为6个正脉冲信号，第二组为一个空脉冲信号，第三组为6个负脉冲信号，6个正脉冲信号依次驱动AB、BC、CA、AB、BC、CA相通电，空脉冲信号使三相步进电机保持不动，6个负脉冲信号依次驱动CA、BC、BC、CA、BC、AB相通电，将所述FPGA器件通过串口线与功率放大器的输入端连接起来，然后再将功率放大器的输出端与三相步进电机连接起来，将驱动脉冲产生程序烧录至所述FPGA器件中，再启动所述FPGA器件，此时所述FPGA器件便会输出上述规律的驱动脉冲，从而带动丝杠转动，进而使滑块上安装的点胶头到达指定点位，对工件进行往复点胶工作。
在所述步骤S3中，功率器件为功率放大器。
在所述步骤S4中，实现对步进电机的精准控制工作即控制该三相步进电机的转动速度。
综上所述，上述两组实施例中的利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，由于采用FPGA器件作为控制器来控制步进电机，利用了FPGA器件的可编程性，可以在不需要变动硬件架构的情况下实现驱动脉冲信号的任意编辑，通过改变输出脉冲的频率、顺序和逻辑组合，从而更方便地控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度；并且在驱动不同功率的步进电机时，只需要更换功率器件的规格就可以实现，普适性很强，值得被推广使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，其特征在于：包括FPGA器件、功率器件与步进电机；
所述FPGA器件，用于产生精准驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号传输给所述功率器件；
所述功率器件，用于通过放大脉冲信号的驱动能力驱动所述步进电机的线圈；
所述步进电机，用于接收经所述功率器件放大后的脉冲信号；
所述FPGA器件通过所述功率器件与所述步进电机相连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，其特征在于：所述功率器件的规格与所述步进电机的功率相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，其特征在于：所述FPGA器件的内部包括有多个逻辑块，多个逻辑块根据对所述步进电机的控制要求进行连接。
4.一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统中，包括以下步骤：
S1：编辑驱动脉冲产生程序
利用编程软件完成对驱动脉冲产生程序的编辑工作；
S2：输出驱动脉冲
将步骤S1中的驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，使FPGA器件输出使步进电机以步距角为30度并往复回转的运动方式运动的多组驱动脉冲信号；
S3：放大脉冲信号的驱动能力
步骤S2中的驱动脉冲信号传输到功率器件中放大，使脉冲信号的驱动能力得到放大；
S4：驱动步进电机转动
步进电机的线圈在接收到经功率器件放大的驱动脉冲信号后带动步进电机转动，实现对步进电机的精准控制工作。
5.根据权利要求4所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，其特征在于：在所述步骤S1中，编程软件为QUARTUS、ISE与ISPLEVER中任一种。
6.根据权利要求4所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，其特征在于：在所述步骤S2中，将驱动脉冲产生程序烧录到FPGA器件中，完成了对FPGA器件中多个逻辑块的连接工作。
7.根据权利要求4所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的方法，其特征在于：在所述步骤S2中，在一个循环周期内,多组驱动脉冲信号为三组,第一组驱动脉冲信号包含多个用于驱动步进电机正转的正脉冲,第二组驱动脉冲包括一个用于使步进电机停止转动的空脉冲，第三组驱动脉冲信号中包括多个用于驱动步进电机反转的反脉冲。
8.根据权利要求4所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，其特征在于：在所述步骤S3中，功率器件为功率放大器。
9.根据权利要求1所述的一种利用FPGA实现对步进电机精准控制的系统，其特征在于：在所述步骤S4中，实现对步进电机的精准控制工作即控制步进电机的正反转和转动速度以及步进精度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201124 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |