基于FPGA新型步进电机控制器硬件实现 毕业设计(论文)文献翻译

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1、基于FPGA新型步进电机控制器硬件实现DanielCarrica,SeniorMember,IEEE,MarcosA.Funes,andSergioA.González,Member,IEEE摘要：本文提出了一种新颖的基于现场可编程门阵列的步进电机控制器，这种控制器呈现出了显著的优势。该系统提供了一种新型算法和可编程逻辑的组合，以达到硬件工作既高速又精确。关键字：现场可编程门阵列（FPGA），运动控制，步进电机。Ⅰ.引言在高精度步进电机应用中，使用小步距电动机是非常必要的，其尺寸是由实际需求决定的。另一个可供选择的技术是微步技术，其电机步长通过控制进一步的减小。由于微步与很小的

2、位移有关，因此必须由大量微步求得总位移。而总位移必须在可接受的时间内执行。因此，微步之间的时间差应该尽量减小。当以微步的运作方式分度时，控制器和驱动器之间的高速数据传输是必须的。此外，开环编码器比那些闭环编码器要便宜的多，如果选择开环系统，则必须使用速度分布图，以避免失去步进功能的后果。图1显示了一台步进电机的基本构成。它有三个部分：1）速度分布图生成器；2)分度器；3)电流驱动装置。(1)和(2)被置在了我们称之为控制器的里面。在速度分布图生成以后，必须由分度器把他们转变为成脉冲时间间隔。每个分度脉冲意味着电机在一个步进中转子的位置必须增加的量，因此命名其为分度器。这个模块的

3、功能就是完成从速度到时间的转化。这个模块可以看作是对电机动作增加量的的控制，而其他类型的电机只可以通过应用速度分布图以电流或电压的形式控制[1],[2]。图.1.完整控制系统图1中的控制器的实施有两个不同的选择：离线或上线配置。离线：在离线配置中，微步的时间比动作[3]和[4]先计算出来了。速度分布和脉冲之间的时间跨度被计算出来后，存放在一些记忆媒介的硬件中，例如ROM甚至硬盘。这些配置有一个缺点，就是它们对组成记忆器和记时器得硬件容量有很严格的要求，这个容量要与电机的数量以及位移的范围与精确度相适应。上线：智能系统通过时间滞后序列产生的算法来执行计算分度器脉冲的操作。在图2中

4、可以看到一个基本配置的流程图。这个流程图包含两个主要模块：部分表示速度分布图的建立和的计算、当前的步骤和接下来一步之间的时间的计算。也就是，是速度分布图发生器，是分度器。因为是用一个单一的方程计算速度分布图和，因此有一个共同的模块是共享的。例如，（1）和（2）为梯形分布图[5]表达了一个典型的算法。（1）（2）这儿是最终速度，是电机的最高速度，是微步的总数，是梯形分布图的加速度，是第步的时间。这些配置以及离线的配置为了获得脉冲分度而利用了计时器。因此每台电机配置一台计时器是很有必要的，但当必须由一个处理器来控制多台电机的时候，这种方法就往往不令人满意了。另一个很严重的缺点是计算

5、（1）时需要计算时间，而对速度有影响。此外，不仅影响（3）中的最大速度，而且计时器分辨率也影响着（3）中的最大速度。（3）当计时器的分辨率足够小时，以至于可以摒弃方程中的。因此，（3）转变为了（4）。图.2.上线算法（4）当速度很高时，标准算法将失效，这主要是因为要计算时间。为了解决速度的问题，下面提供一个更有效的没有计时器的步进发生程序的新算法。Ⅱ.算法的提出本节所提出的算法可以解释如下：为了估计时间，假设是倍的，则这是一个不使用计时器的测量时间的精确的方法。因此，在每一次迭代中，所提出的算法要做好以下步骤：1）使2）假设（5）其中，是一个正整数。3）检验：如果假设允许期望。

6、则，这意味着（6）其中，是在第步进时的速度。图.3.算法流程图4）如果第三步检验通过，那么执行新的步进。否则，增加并且重复这一过程。（2，3和4）（7）从（5）可以看出，的分辨率是。（6）中的等式因为这个分辨率而不可能成立，等式（6）相应的变成了（8）（8）消除（8）中的则必须减少迭代时间。因此，一个简单的缩写式（9）就成了首选。（9）新算法是基于（5）、（7）和（9）之上的，（5）中的与（4）中的有相同的意义，但是相关的数量更少，因此此处的计算是很简单。实验表明此种方法计算比传统的算法要小10倍。图.4.预期速度分布图总括来说，该算法基本上是一定时期的累计直到达到预期速度。图

7、3.表示了执行（5）、（7）和（9）的一个系统的流程图。速度分布图模块在之前就已经执行了。通过（5）可以得到，是一个整数，则新算法的的分辨率是。新算法中分辨率出现了一个速度量化问题，因为在（6）中速度与是成反比的。由于是的整数倍，而且，结果表明，该速度指令有以下特点（10）下面举一个例子，图.4显示了从开始到有一个最大速度的梯形分布图。为了保持预期速度的轨道（在间断线），该系统定义初始值。这个速度最接近预期的初速度。在时刻，变到6，作为一个结论，我们知道会产生更高的速度。在时刻，产生一个指令