基于FPGA的四相步进电机细分驱动电路设计
《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控制的步进电机细分驱动系统的开题报告
基于FPGA控制的步进电机细分驱动系统的开题报告一、选题背景及意义随着工业自动化和数字化的迅猛发展，越来越多的机械设备使用步进电机作为执行元件，以达到高效、精准、低噪声的运动控制。
但是现实工程中，常常需要对步进电机进行细分控制，以提高马达的运动精度和平滑度，进而提高机械系统的运动性能和工作效率。
因此，设计一套可靠的步进电机细分驱动系统是有意义的。
二、研究内容和目标本课题基于FPGA控制的思路，通过对步进电机的驱动方式和控制策略建模，利用FPGA芯片处理器进行实时控制和数据处理，设计出一种高性能、高可靠性的步进电机细分驱动系统。
具体研究内容如下：1. 研究步进电机的基本原理和驱动方式；2. 建立步进电机的数学模型，探究细分驱动的原理及其实现方法；3. 设计一个基于FPGA芯片的步进电机细分控制器，实现驱动信号的实时处理、数据的输入输出和控制算法的运行；4. 编写FPGA代码和控制程序，测试马达和控制器性能并进行性能评价。
三、研究方法和技术路线本研究主要采用以下方法和技术来实现步进电机细分驱动系统：1. 研究资料法：对现有的步进电机驱动系统和FPGA控制器进行现场调研和研究资料收集，明确研究方向和研究目标。
2. 数学建模法：针对步进电机的运动特性和控制需求，构建步进电机的数学模型，并分析其细分驱动策略和控制算法。
3. 硬件设计法：基于FPGA芯片的控制器设计，包括芯片选型、电路设计、PCB设计、硬件调试和性能测试等。
4. 软件编程法：利用高级编程语言和编译器，编写FPGA控制器的控制程序，实现控制指令下发、数据传输和控制算法执行等功能。
技术路线1. 步进电机驱动原理和数学建模；2. FPGA硬件设计和电路调试；3. Verilog HDL代码编写和仿真；4. 系统测试和性能评价。
四、预期成果和应用价值1. 设计出一套可靠的基于FPGA控制的步进电机细分驱动系统，有效提高步进电机的运动精度和平滑度。
2. 实现马达位置反馈、轴向细分控制和速度、加速度控制等复杂控制算法。
《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、引言步进电机是一种常见的电机类型，其具有精度高、运行平稳、易于控制等优点，广泛应用于各种自动化设备和精密机械系统中。
然而，传统的步进电机驱动器在细分控制方面存在一定局限性，无法满足高精度和高性能的应用需求。
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法，以提高步进电机的运行性能和控制精度。
二、背景及意义随着工业自动化和精密机械系统的发展，步进电机作为一种常用的驱动装置，在各种设备中得到了广泛应用。
然而，传统的步进电机驱动器在细分控制方面存在一定局限性，如控制精度低、运行效率低等问题。
为了解决这些问题，人们开始研究基于FPGA的步进电机细分驱动器设计方法。
FPGA具有可编程、高速度、低功耗等优点，可以实现对步进电机的精确控制和高性能驱动。
因此，基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计与实现具有重要的理论和应用价值。
三、设计与实现1. 系统架构设计基于FPGA控制的步进电机细分驱动器系统主要由FPGA芯片、电源模块、步进电机和传感器等组成。
其中，FPGA芯片作为核心控制单元，负责接收上位机的控制指令，对步进电机进行精确控制。
电源模块为系统提供稳定的电源支持。
步进电机为系统的执行机构，根据FPGA的控制指令进行运动。
传感器用于检测步进电机的运行状态和位置信息，并将这些信息反馈给FPGA 芯片。
2. 硬件设计硬件设计主要包括FPGA芯片的选择和电路设计。
在选择FPGA芯片时，需要考虑其性能、功耗、价格等因素。
电路设计包括电源电路、控制电路、信号传输电路等。
其中，控制电路是核心部分，需要设计合理的逻辑控制电路来实现对步进电机的精确控制。
此外，还需要考虑信号传输的稳定性和抗干扰能力等因素。
3. 软件设计软件设计主要包括FPGA程序的编写和调试。
首先，需要根据步进电机的特性和控制要求，编写合适的算法和控制程序。
《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的步进电机细分驱动技术研究
结果表 明，该步进 电机细分驱动技 术可以减小步进 电机 的步距角， 高电机运行 的平稳性，增加控制 的灵活性，具有较好 提
的 实 用价 值 ．
关 键 词 ： Ｐ Ａ；电机 ：细分 驱 动 ： Ｗ Ｍ ＦＧ Ｐ
中图分类号： Ｎ９ １ ， Ｐ ９ ．５ Ｔ １． Ｔ ３ １ ６ ７
文献标识码： Ａ
ＹＵＡＮ ｈ ｉ． Ｓ ｕａ ＧＡＮ ｉ ｇ Ｊｎ
（ ．ｏｌｇ ｆ ｎｏｍａｉｎａ ｄＣｏ １Ｃ ｌ ｅｏ Ｉｆｒ ｔ ｎ ｍｍｕ ｉａｉｎＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｈｕ ａ ｓｉ ｔ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙＹｕ ｙ ｇ４ ４ ０ ， ｈｎ ； ｅ ｏ ｎｃｔ ｎ ｉｅ ｒ ， ｎ ｎＩ ｔ ｕｅｏ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ， ｅ ａ ｔ ０ ６ Ｃ ｉａ ｏ ｎ ｎ ｔ ｎ
摘 要：受制造ｘ 艺的影 响，步进 电机的步距 角一般较 大，而且还存在低频振 动，导致其只 能应 用在 一些要求较低的 － － 场合 ． 本文设计 了一种基 于 Ｆ Ｇ 芯片来实现步进电机细分驱 动的方法． 用 Ｆ Ｇ 中的嵌入 式存储模 块存放各相细分电 ＰＡ 利 Ｐ Ａ 流所需的 Ｐ ＷＭ 控制波形数据表，并通过数 字比较 器同步产 生多路 Ｐ ＷＭ 信 号，对步进 电机的转角进行均 匀细分控 制．测试
文章编号 ：６ ２５ ９ （０ ００ —０ ２０ １７ ．２ ８２ １ ）１ ６ ．３ ０
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ０ ｕ ｄ ｖ ｓｏ ｉ ｅＴ ｃ ｎ ｌｇ ｆＳ ｅ ｐ ｎ ｓ ａ ｃ ｆＳ ｂ ｉ ｉｉ ｎ Ｄｒｖ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ０ ｔ ｐ ｉ ｇ
Ｍ ｏ ｏ ｓ ｄ０ ｔ ｒＢａ ｅ ｎ ＦＰＧ Ａ
２ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｏ ｕｅ Ｓ ｉ ｃ， ｕ ａ ｓｔｔ ｏ ｉ ｃ ｄＴ ｃｎ ｌｇ ， ｕｙ ｎ １ ０ ６Ｃ ｉａ ． ｏｌ ｅ ｍｐ ｔｒ ｃ ｎ ｅＨ ｎ Ｉ ｔｕｅ ｆ ｃｅ ｅａ ｅｈ ｏ ｙＹ ｅ ａｇ４ ４ ０ ， ｈｎ ） ｅ ｏＣ ｅ ｎ ｎｉ Ｓ ｎ ｎ ｏ
基于FPGA的步进电机细分控制电路设计
基于FPGA的步进电机细分控制电路设计基于FPGA的步进电机细分控制电路设计引言：步进电机作为一种常用的执行机构，广泛应用于各种自动控制系统中。
然而，由于步进电机的转子结构特殊，一般只能按初始化的角度进行转动。
为了满足精确定位和高速运动的需求，人们提出了细分控制的方法。
本文将介绍一个基于FPGA的步进电机细分控制电路设计，通过FPGA的高度可编程性和并行计算能力，实现步进电机的高精度控制。
一、步进电机工作原理及细分控制的意义步进电机是一种将电信号转化为旋转运动的执行机构。
它由定子和转子构成，每个转子包含多个绕组。
通过对绕组施加脉冲信号，可以使步进电机按预定的角度进行转动，实现位置和速度的控制。
然而，传统的步进电机只能按照一个固定的步距进行转动，无法满足某些应用对高精度定位和高速运动的要求。
因此，实现步进电机的细分控制变得非常重要。
细分控制的基本思想是在一个或多个步距之间再次进行分割，使电机能够达到更高的精度。
通过增加驱动电位的变化次数，可以将电机的步距细分为更小的角度，从而提高电机运动的分辨率和精度。
一个良好的细分控制电路可以使步进电机以更高的分辨率完成旋转，且精度可以满足更高的要求。
二、基于FPGA的步进电机细分控制电路设计FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种集成电路，具有可编程的逻辑单元和存储单元。
通过在内部编程，可以实现各种复杂的数字逻辑功能。
利用FPGA的高度可编程性和并行计算能力，可以设计出一个高效的步进电机细分控制电路。
1. 电机驱动电路设计：步进电机驱动电路是实现步进电机细分控制的关键。
常见的步进电机驱动器有常流方式和常压方式。
本文采用常流方式，因为它对电机的细分控制更加精确，且可以降低温升和功率损耗。
驱动电路中采用了双H桥作为电流放大器，使得电机可以双向运动。
同时，还使用了恒流源电路，提供恒定电流以保证电机的正常工作。
2. FPGA控制核心设计：FPGA通过其可编程逻辑单元实现控制算法和时序控制。
步进电机细分驱动控制系统设计
步进电机细分驱动控制系统设计姓名：张凯学号： 20104977指导老师：杨小平、杞宁组员：张凯 20104977 （组长）张明 20104991王涛 20104978合肥工业大学电子科学与应用物理学院电子科学与技术系概述步进电机在输入状态发生变化时会转过一定的角度，输入状态不变时不会转动，且在不细分输入情况下每次转过较大的角度，再细分情况下每次转过较小的角度。
本设计是利用 FPGA 实现四相步进电机细分驱动控制，并且系统既能实现步进电机的细分驱动又能实现不细分驱动，还能实现步进电机的正、反转控制。
设计方案与实现下图是通过Quartus Ⅱ综合产生的RTL级电路图。
整个电路共分为6大模块：32进制可加可减计数器（cnt32）、16进制（自加）计数器(cnt16)、4位输出选择器（dec2）、4个4位比较器（new_comp：moto5、moto6、moto7、moto8）、查找表（rom32）、4位输入4位输出2选1多路选择器（mux2to1）。
其中，u_d控制正反转，s选择细分和不细分，en控制停和转，y[3:0]接步进电机的4相输入，clk0和clk5为时钟，且clk5>>clk0（本课设选clk0=4Hz,clk5=32768Hz）。
设步进电机的4相输入分别为A、B、C、D。
细分： cnt32计数输出5位数据送rom32，rom32输出16位数据分别送new_comp：moto5、moto6、moto7、moto8的a[3:0]端口与cnt16计数送来的4位数据b[3:0]比较。
如果a>=b，则agb=1’b1；反之agb=1’b0。
由于clk5>>clk0,从而agb能输出一段占空比稳定的信号（只持续1个或多个clk0周期），即产生1/4、2/4、3/4信号。
再如果s为高电平，则就能实现步进电机的细分输入。
不细分：如果s为低电平，则mux2to1选通由dec2送来的非细分信号dataa[3:0]，从而实现步进电机的非细分输入。
基于FPGA步进电机细分驱动器的设计
基于FPGA步进电机细分驱动器的设计张睿【摘要】This paper designed a kind of stepping motor subdivided driving controller based on FPGA,The scheme uses FPGA as the controller,power drive circuit uses optically coupled isolator HCPL2630 and drives IR2110 and VMOS power field effect transistor IRF530 device made by H bridge driving circuit. The system hardware circuit diagram design is completed in Altium Designer 6.9 environment.In software design,the QuartusII software development environment,using Verilog hardware description language to achieve the overall design of the system software subdivision driving of stepping motor based on FPGA,completed the design of address generation module,ROM module,data conversion module,the PWM modulation module and digital variable to the module,and the functional modules of the the function simulation,verified the correctness of each function module.%设计了一种基于FPGA的步进电机细分驱动控制器，采用FPGA作为控制单元，功率驱动电路采用了光耦隔离器HCPL2630与驱动器IR2110，以及VMOS功率场效应晶体管IRF530器件构成了H桥式驱动电路。
基于FPGA的步进电机SPWM细分驱动系统的设计
１ Ｓ Ｐ Ｗ Ｍ细 分 驱 动 原 理
步 进 电机 细 分 驱动 通 常 分 为 等 电 流 细 分 驱 动 法 和 电流 矢 量 恒 幅 均 匀 旋 转 法 。对 于 等 电流 细 分
代 替 ，即 为 Ｓ Ｐ ＷＭ 脉 冲 。具 体 实现 方法 是 ：根 据
电 机 运 行 所 要 求 的 最 大 细 分 数 Ｎ，在 最 小 相 电流 到 最 大 相 电流 之 间 按 正 弦 方 式 插 入 Ｎ个 稳 定 的 中 间 电 流 状 态 ，将 对 应 每个 状 态 的二 进 制 量 化 值 存 入Ｒ ＯＭ 中 。理 论 上 来讲 ，细分数 越 多越好 ，兼顾 系 统 实现 的可 行 性 和 电机 定位 的精 确 性 ， 系统 最
第３ ６ 卷
第２ 期 ２ ０ １ ４ — ０ ２ （ 下） 【 １ １ ５ １
ｌ
流之 间 划分 为 ２ ５ ６ 个 正 弦 电流 值 ，一 个正 弦 周 期共
定 位 精 度 ，因 此 ，Ｓ Ｐ Ｗ Ｍ细 分 驱 动 技 术 在 步 进 电
机 的驱动 系统 中得到 了广 泛 应用 。 目前 ，步 进 电机 驱 动 制 系 统 普 遍 采 用 微 处
波 对 电 流 进 行 细 分 时 ，阶 梯 越 多 ， 波 形 就 越 理
想 ，越 接近 正 弦 波 ， 步距 角也 就 越 小 ，定 位 精 度
（ 江阴职 业技术学院 电子信 息工程系 ，江阴 ２ １ ４ ４ ０ ５ ） 摘 要 ：系统采用Ｆ Ｐ Ｇ Ａ设计 了步进 电机正弦脉宽调制细分驱 动电路 ，提高 了步进 电机 的步进分辨率 ，
并设计 了功率驱 动 电路 ，对细分 电路输 出信 号进行 了隔离和 功率放大 ，以确保 电机 能够 稳定 可靠地 运行。经过 对二 相混合式 步进 电机测 试表 明 ，步进 电机 运行平 稳 ，定位 精度较 高 ，改 善 了步进 电机的运行性 能，适 用于 要求较高的实时控制系统。 关键词 ：Ｓ Ｐ ＷＭ 细分驱 动 ； 双 口Ｒ Ｏ Ｍ；Ｓ Ｐ ＷＭ 调制 ；桥式驱动 中囝分类号 ：Ｔ Ｍ３ ９ １ ． ９ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ （ 下） 一 ０ １ １ ５ —０ ５
基于FPGA的步进电机细分驱动器的设计的开题报告
基于FPGA的步进电机细分驱动器的设计的开题报告一、研究背景和意义步进电机是一种常见的控制设备，其可靠性高、响应速度快、精度高等优点在自动控制、机械制造和工业自动化等众多领域得到广泛应用。
但是，步进电机在低转速时，由于步距角度过大，分辨率不够高，会出现位置误差，影响系统的稳定性和精度。
为了提高步进电机的精度和稳定性，减少位置误差，常常需要对步进电机进行微步运动，即将步距角分成若干个微步，使得每个微步的步距角度小于步进电机工作时的步距角度，以提高步进电机的分辨率和减少位置误差。
微步技术已经过去数十年的发展，有许多不同的实现方式，常见的方法是使用分立的微步驱动芯片，如ULN2003、ULN2803等，但是这些芯片存在着面积较大、功耗较高、调试难度大等问题。
为了解决这些问题，越来越多的人开始研究FPGA实现微步技术的方法。
FPGA可以实现高度灵活的驱动器控制逻辑设计，不仅可以实现精确的微步控制，而且还可以将微步驱动电路模块化，方便二次开发。
因此，基于FPGA的步进电机细分驱动器具有较对的研究意义和实际应用价值。
二、研究内容和方法本文的研究内容是设计一种基于FPGA的步进电机细分驱动器，并实现该驱动器的微步控制电路和控制算法。
具体地，本文的研究内容包括以下几个方面：（1）步进电机的细分控制算法设计。
本文将使用简单而灵活的微步控制算法，包括分频法和加减速控制法，以实现步进电机的细分运动，提高步进电机的分辨率和减少位置误差。
（2）FPGA驱动器电路设计。
在本文的研究中，将使用FPGA实现步进电机微步控制电路，设计驱动器的控制模块、计数器模块以及同步模块，以确保控制逻辑的准确性、稳定性和可靠性。
同时，还将使用VHDL语言实现控制模块、计数器模块、同步模块以及与外部系统的接口模块。
（3）FPGA驱动器的实现。
将通过FPGA设计工具Quartus II将上述的电路设计转化为可编程逻辑芯片，并进行适当的仿真和调试，以确保驱动器的扫描和控制精度。
基于FPGA的步进电机细分驱动控制器的设计
1 绪论1.1课题研究背景及意义历史证明，一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力，国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力展制造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控(NC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、计算机集成制造系统(CIMS)等多项先进制造技术与制造模式，推着世界制造业进入一个崭新的阶段川。
而在这些技术环节中，具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中。
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pu1Semotor或stepperServO，其应用发展己有约80年的历史。
可以说步进动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。
就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。
这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。
步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。
正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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。
比如在数控系统中就得到广泛的应用。
目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国己经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。
《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、引言步进电机因其精确的步进运动和易于控制的特点，在工业自动化、机器人技术、精密仪器等领域得到了广泛应用。
然而，传统的步进电机驱动器在细分控制上存在一定局限性，如控制精度不高、响应速度慢等。
为了解决这些问题，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，并对其进行了实际实现。
二、步进电机及驱动器概述步进电机是一种将电脉冲信号转换成线性或旋转运动的设备。
其工作原理是通过改变电机的电流方向和大小来控制电机的转动。
步进电机驱动器则是用来控制步进电机的设备，它可以将控制信号转换为电机所需的电流和电压。
传统的步进电机驱动器通常采用微控制器或数字信号处理器（DSP）进行控制，但这些控制器在处理复杂算法和控制策略时存在一定局限性。
三、基于FPGA的步进电机细分驱动器设计（一）设计思路基于FPGA的步进电机细分驱动器设计思路主要包括以下几个步骤：首先，根据步进电机的特性和应用需求，确定驱动器的性能指标；其次，设计FPGA的硬件电路和软件算法，实现步进电机的细分驱动控制；最后，对设计进行仿真和实际测试，验证其性能和可靠性。
（二）硬件设计硬件设计主要包括FPGA芯片的选择、电源电路、信号处理电路等。
在选择FPGA芯片时，需要考虑其性能、功耗、价格等因素。
电源电路需要提供稳定的电源电压，以保证FPGA和步进电机的正常工作。
信号处理电路则需要将控制信号转换为适合步进电机驱动的电流和电压。
（三）软件算法设计软件算法设计是实现步进电机细分驱动控制的核心部分。
主要包括步进电机的控制策略、细分算法、抗干扰措施等。
控制策略需要保证电机的平稳运行和精确控制；细分算法则需要将电机的转动细分为多个步进，提高电机的控制精度；抗干扰措施则需要保证系统在复杂的环境下能够稳定工作。
四、实际实现与测试（一）实现过程根据设计思路和硬件、软件设计方案，进行实际制作和调试。
基于FPGA步进电机细分驱动控制
毕业设计 [论文]题目：基于FPGA步进电机细分驱动控制系别：xxx专业：xxx姓名：xx学号：xxxx指导教师：xxx目录摘要.................................................... 错误!未定义书签。
ABSTRACT................................................ 错误!未定义书签。
第1章绪论............................................ 错误!未定义书签。
1.1引言 .............................................. 错误!未定义书签。
1.2步进电机的特点及应用............................... 错误!未定义书签。
1.3课题研究的目的和意义............................... 错误!未定义书签。
第二章步进电机的结构和细分驱动原理..................... 错误!未定义书签。
2.1步进电机的结构..................................... 错误!未定义书签。
2.2步进电机的分类..................................... 错误!未定义书签。
..................................................... 错误!未定义书签。
..................................................... 错误!未定义书签。
..................................................... 错误!未定义书签。
2.3步进电机驱动技术概述............................... 错误!未定义书签。
基于FPGA的步进电机细分控制电路的设计
目录1 引言 (1)2 步进电机简介 (2)2.1 步进电机工作原理 (2)2.2 步进电机的励磁方式 (2)2.2.1 一相励磁 (2)2.2.2 二相励磁 (3)2.2.3 一-二相励磁 (3)2.3 细分驱动原理 (4)3 设计方案 (5)3.1 各个模块简要介绍 (6)3.2 各个部分仿真图介绍 (8)4 结论 (11)谢辞 (12)参考文献 (13)附录 (14)1 引言步进电机是将电脉冲信号转变成角度位移或者线性位移的开环控制元件。
在非超载的情况下电机的转速、停止位置只是取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只是周期性的误差而无累计误差的特点，使得步进电机在速度、位置等控制领域操作非常简单。
基于步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高、可开环应用等优点,它被广泛应用在工业自动控制、仪器仪表等领域。
然而步进电机在低频运行时存在振荡现象并且产生很大的电磁噪声, 另外步进电机的固有步进角多在0. 45~1. 8 之间, 在精密、稳定控制场合, 用普通的方法驱动步进电机不能获得理想的步进控制精度和运行平稳度。
因此需要通过步进电机细分技术来改善。
步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，细分驱动技术能够大大提高步进电机的步距分辨率, 减小转矩的波动, 避免低频振荡, 降低运行时的噪声，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。
比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。
不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。
现场可编程门阵列( Field Programmable Gate Array, FPGA)集成度高、通用性好、设计灵活且性能稳定, 能够极大地缩小电路板的面积, 提高电路的稳定性。
《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、引言随着科技的不断发展，步进电机已经成为自动化领域中的核心执行器。
其运行性能与效率在很大程度上依赖于驱动器的设计与控制。
为此，本文旨在设计并实现一种基于FPGA（现场可编程门阵列）控制的步进电机细分驱动器，以提高步进电机的运行效率和精确度。
二、步进电机及其驱动器概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为线性或旋转运动的装置。
它广泛应用于自动化、机械控制等领域。
然而，步进电机的性能在很大程度上受到驱动器的影响。
传统的步进电机驱动器往往存在精度不高、噪音大等问题。
因此，对步进电机驱动器的设计与优化显得尤为重要。
三、FPGA控制的优势FPGA作为一种可编程的逻辑器件，具有高速度、高集成度、低功耗等优点。
将其应用于步进电机驱动器的控制中，可以实现对电机的精确控制，提高电机的运行效率和稳定性。
此外，FPGA的并行处理能力可以满足步进电机驱动器对实时性的要求。
四、基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的设计1. 硬件设计硬件设计主要包括FPGA控制器、步进电机、电源电路、信号处理电路等部分。
其中，FPGA控制器负责接收和处理上位机发出的控制信号，并输出到步进电机驱动器，以实现对电机的精确控制。
电源电路为整个系统提供稳定的电源，信号处理电路用于对输入信号进行滤波、放大等处理。
2. 软件设计软件设计主要包括FPGA的编程和控制算法的设计。
FPGA 的编程包括对输入输出接口的配置、对步进电机驱动器的控制等。
控制算法的设计包括电机的细分控制算法、速度控制算法等。
通过编程和控制算法的设计，可以实现对步进电机的精确控制和高效运行。
五、驱动器的实现与测试在完成硬件和软件设计后，我们进行了驱动器的实现与测试。
首先，我们搭建了测试平台，将驱动器与步进电机连接起来，然后通过上位机发送控制信号，观察电机的运行情况。
测试结果表明，我们的驱动器能够实现对步进电机的精确控制，电机的运行效率和稳定性得到了显著提高。
《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、引言步进电机因其精确的步进运动和良好的控制性能，在工业自动化、精密设备制造等领域有着广泛的应用。
为了进一步提升步进电机的运动性能，基于FPGA（现场可编程门阵列）控制的步进电机细分驱动器成为研究热点。
本文旨在设计并实现一个基于FPGA控制的步进电机细分驱动器，提高其运动控制精度和稳定性。
二、设计思路（一）硬件设计硬件设计主要包含FPGA控制器、步进电机驱动模块以及电源模块等部分。
其中，FPGA控制器是整个系统的核心，负责接收上位机的控制指令，并对步进电机的运动状态进行实时监控和调整。
步进电机驱动模块负责将FPGA控制器的输出信号转换为步进电机的驱动信号，以实现对步进电机的精确控制。
电源模块为整个系统提供稳定的电源供应。
（二）软件设计软件设计主要包括FPGA的编程和控制算法的设计。
FPGA 的编程采用硬件描述语言（HDL）进行，实现上位机与FPGA控制器之间的通信，以及FPGA控制器对步进电机驱动模块的控制。
控制算法的设计则根据步进电机的运动特性和应用需求进行，包括细分驱动算法、速度控制算法等。
三、细分驱动器的设计（一）细分驱动原理步进电机细分驱动是指将步进电机的每个步进角度细分为多个子步进角度，以提高电机的运动精度和稳定性。
通过改变每个子步进角度的占空比和顺序，可以实现对步进电机的精确控制。
（二）设计实现基于FPGA的步进电机细分驱动器设计，需要编写相应的FPGA程序，实现细分驱动算法。
具体而言，需要设计一个能够根据上位机的指令，实时计算并输出每个子步进角度的占空比和顺序的FPGA程序。
同时，还需要考虑电机的相序、电流等因素对电机性能的影响，以实现电机的最优控制。
四、实验与结果分析（一）实验环境与设备为了验证基于FPGA控制的步进电机细分驱动器的性能，我们搭建了实验平台。
实验设备包括步进电机、驱动器、FPGA控制器、上位机等。
其中，步进电机采用高精度的永磁式步进电机，以保证实验结果的准确性。
基于FPGA的步进电机细分控制系统的设计
基于FPGA的步进电机细分控制系统的设计成果;冉全;叶惠娇;潘洋【摘要】四相步进电机在低频旋转时存在振荡问题.为了解决这个问题,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的步进电机细分控制系统.系统以FPGA为控制核心,L298N为电机驱动模块的控制芯片,在细分理论的基础上结合正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制技术,实现步进电机的细分控制.通过ModelSim软件仿真和实验验证,显示该系统可以减少电机的振荡,使电机在低频时能运行平稳.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2018(040)006【总页数】5页(P701-705)【关键词】可编程门阵列;步进电机;细分控制;正弦脉冲宽度调制【作者】成果;冉全;叶惠娇;潘洋【作者单位】武汉工程大学计算机科学与工程学院,湖北武汉 430205;武汉工程大学计算机科学与工程学院,湖北武汉 430205;智能机器人湖北省重点实验室(武汉工程大学),湖北武汉 430205;武汉工程大学计算机科学与工程学院,湖北武汉430205;武汉工程大学计算机科学与工程学院,湖北武汉 430205【正文语种】中文【中图分类】TP332步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的数字式传动装置，在电子、机械等领域有很多的应用［1］。
电机的转动是由输入的脉冲信号控制，在控制的过程中能具体的知道电机旋转的角度［2］。
但是由于步进电机的步距角固定，在低频运转时容易产生振荡，不能保证平稳的运行，无法满足精确控制的要求，一般需要外接阻尼器或者加减速器才可以缓解振荡问题［3］。
本文使用步进电机细分驱动的方式来减少电机振荡，细分驱动的脉冲信号在控制器中产生，不用外接设备，简化了控制过程。
传统的步进电机控制方式是以单片机等微处理器为控制核心，对于简单的步进电机控制场景是没有问题的，但是在控制多个步进电机进行频繁细分操作时，会占用微处理器大量的运算时间和大量的IO口，这会对系统中其它模块的资源分配产生影响，从而影响其他功能的执行与实现。
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基于FPGA 的四相步进电机细分驱动电路设计
黄伟平
（浙江树人大学，浙江省杭州市）
摘要：在采用步进电机驱动的机构中,为了提高定位精度,提出了一种基于FPGA 的四相步进电机细分驱动电路的设计方案。
采用正弦/ 余弦细分方案,通过嵌入cos/ sin 表格于FPGA 中,合理控制步进电机四相绕组的电流,实现正弦细分驱动控制技术,减小了步距角、提高了步进分辨率。
给出了FPGA 软件设计,并在Quartus II中完成了仿真。
仿真结果表明,PWM计数器模块，地址计数器模块，PWM波形ROM存储器模块，数字比较器模块,都可以由FPGA 准确无误地产生，本系统最终现实对四相步进电机八细分驱动电路的设计。
关键词：FPGA ；四相步进电机；细分；驱动电路
引言
步进电机是把脉冲信号转换成角位移或直线位移的执行元件，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量驱动元件。
具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好、易于控制、价格低廉及与计算机接口方便等优点，被广泛应用于数控系统中[1,2]。
计算机技术的发展，促进了数字控制技术的发展。
步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。
利用FPGA中的嵌入式EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形表，再利用数字比较器同步产生多路FPGA电流波形，对多相步进电机进行控制。
若改变控制波形表的数据、增加计数器和比较器的位数，提高计数精度，就可以提高PWM波形的细分精度，进而对步进电机的步进转角进行任意级细分，实现转角的精确控制。
1.步进电机细分驱动原理
步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。
设矢量Ta、Tb、Tc、Td为步进电机A、B、C、D四相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量；Tab、Tbc、Tcd、Tda为步进电机中AB、BC、CD、DA两相同时通电产生的合成磁场矢量。
当给步进电机的A、
B、C、D四相轮流通电时，步进电机的内部磁场从TA→TB→TC→
TD,即磁场产生了旋转。
步进电机的步距角θB计数公式[3]可表示
为：θB=θM/N r ；式中N r：为步进电机的转子齿数；θM：
为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。
而图1为四相步进电机八细分电流波形图，从图中可知各相电流是以1/4的步距上升或下降的，在两相Ta，Tb中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度θM 将由八步完成，实现了步距角的八细分。
2. 基于FPGA的硬件实现
随着大规模集成电路FPGA/CPLD的发展，为步进电机的细分驱动带来了便利。
采用EDA技术进行控制设计，可根据细分要求的步距角计算出各项绕组中通过的电流，存储在FPGA的嵌入式ROM中。
细分控制时，地址计数器自动产生地址送到LPM-ROM，根据不同的地址，LPM-ROM给出相应的数据到数字比较器，与线性锯齿波比较后输出PWM波形,控制功放电路给各相绕组通以相应的电流，实现步进电机的细分驱动[4]。
3.步距细分的系统构成
从图1四相步进电机八细分电流波形中可以看出，一般情况下总有二相绕组同时通电。
一相电流逐渐增大，另一相逐渐减小。
对应于一个步距角，电流可以变化Ｎ个台阶，也就是电机位置可以细分为Ｎ个小角度，这就是电机的一个步距角被Ｎ细分的工作原理。
或者说，步距角的细分就是电机绕组电流的细分，从而可驱动步进电机平滑运行。
图3步进电机细分驱动电路结构图
该系统是由 PWM 计数器、波形ROM 地址计数器、PWM 波形ROM 存储器、比较器、功放电路等组成，如（图3步进电机细分驱动电路结构）所示。
其中，PWM 计数器在脉宽时钟作用下递增计数，产生阶梯形上升的周期性的锯齿波，同时加载到各数字比较器的一端；PWM 波形ROM 输出的数据A[3..0]、B[3..0]、C[3..0]、D[3..0]分别加载到各数字比较器的另一端。
当PWM 计数器的计数值小于波形ROM 输出数值时，比较器输出低电平；当PWM 计数器的计数值大于波形ROM 输出数值时，比较器输出高电平。
由此可输出周期性的PWM 波形。
根据图1 步进电机8 细分电流波形的要求，将各个时刻细分电流波形所对应的数值存放于波形ROM 中，波形ROM的地址由地址计数器产生。
通过对地址计数器进行控制，可以改变步进电机的旋转方向、转动速度、工作/停止状态。
FPGA 产生的PWM 信号控制各功率管驱动电路的导通和关断，其中PWM 信号随ROM 数据而变化，改变输出信号的占空比，达到限流及细分控制，最终使电机绕组呈现阶梯形变化，从而实现步距细分的目的。
输出细分电流信号采用FPGA 中LPM_ROM 查表法，它是通过在不同地址单元内写入不同的PWM 数据，用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分。
电路原理图设计
根据图3设计该系统的原理图，通过FPGA技术设计顶层电路。
如图、图、图，其中图、图是图中的模块图，
而图是图波形存储器的波形图。
4.细分电流信号的实现
从LPM_ROM 输出的数据加在比较器的A 端，PWM 计数器的计数值加在比较器的B 端，当计数值小于ROM 数据时，比较器输出低电平；当计数值大于ROM 数据时，比较器则输出高电平。
如果改变ROM 中的数据，就可以改变一个计数周期中高低电平的比例。
图 中的PWM 计数器（CNT8）将整个PWM 周期4 等份。
5.系统的实验结果与分析
系统的实验结果
图5 是四相步进电机仿真波形图，给出了步进电机从A →AB →B →BC →⋯工作过程的仿真波形。
在图中展示了FPGA 控制步进电机的情况。
LPM_ROM 输出的16 位数据p[15..0]为八进制数据，作为步进电机各相电流的参考值，每4 位二进制数值控制一相，分别用于控制步进电机A 、B 、C 、D 四相的工作电流。
对于每一相来说，当输出数据为0 时，该相电流为0；输出数据为1 时，脉宽高电平占一个PWM 周期的1/4；当输出数据为2 时，脉图 步进电机PWM 细分控制电路图 图 PWM 波形ROM 存储器
宽高电平占一个PWM 周期的2/4；当输出数据为4 时，整个PWM 周期均输出高电平[5]。
图中，Y3、Y2、Y1、Y0 分别表示A、B、C、D 相电流，u_d 为方向控制，clk 产生线性递增的锯齿波，clk5 为步进脉冲，p[15..0]为LPM_ROM 输出数据。
图5 步进电机PWM仿真波形图
系统的结果分析
从仿真波形图5中可以看出，首先，步进电机 A 相导通，B、C、D 相截止，p[15..0]输出数据为F000Q，A 相的数据为F，其他相的数据为0。
然后逐渐过度到AB 相导通；p[15..0]输出数据为F600→F900→FC00→FF00，B 相的数据逐渐增大，从1 增大到4。
电机中的磁场经过4 拍从A 相转到了AB 相，再经过4 拍从AB 相转到B 相，p[15..0]输出数据为CF00→9F00→6F00→0F00，A 相的数据逐渐减小，从F 变为0。
从A 到AB 到B 共经过了8 拍，实现了步距角的8 级细分。
LPM_ROM 输出数据p[15..0]的变化近似于正弦信号的包络，使各相的输出电流Y3~Y1 按照正弦规律均匀变化。
由于步进电机是电感性负载，对输出的PWM 电流具有平滑滤波作用，对电机线圈起作用的是PWM 的平均电流，同时输出信号中的细小毛刺也被滤除。
6、细分驱动性能的改善
试验测定显示，在线性电流的驱动下，步进电机转子的微步进是不均匀的，呈现出明显的周期性波动。
磁场的边界条件按齿槽情况呈周期性重复是导致微步距角周期性变化的根本原因。
同时，不可避免的摩擦负载(摩擦力矩是不恒定的，或者说在一定范围内也是不确定的)以及其它负载力矩的波动导致失调角出现不规则的小变动或小跳跃，也使微步距角曲线在周期性波动上出现不光滑的小锯齿形。
步进电机的电流矩角特性并非线性函数，而是近似于正弦函数。
若使电流按线性规律上升或下降，必然会造成每一细分步的步距角不均匀，从而影响步距精度。
为此在设计中，需要提高LPM_ROM 数据精度，将数据提高到十六位，使输出的步进细分电流近似为正弦电流，这样不仅提高了步距精度，而且可以改善低频震荡。
7.总结
实测结果表明，要使步进电机细分后获得均匀的步进转角，其 PWM 驱动电流应近似于正弦电流，而非线性递增的电流。
因此ROM 文件中的数据进行适当选择，使每一步的电流增加量接近正弦波，并根据实际转角作了适当调整。
由于PWM 的输入时钟频率较高，因此可以获得均匀的平均电流，并且每一步的时间间隔相等，转角近似均匀，从而实现对多相步进电机的转角进行均匀细分,有效地控制步进电机。
8.参考文献
[1]张志利. 步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与
实现[J ] . 微特电机,2001 ,29 (1) :10 - 13.
[2]林海波. 基于AT89C51 的步进电机恒转矩细分驱动电路的设
计[J ] . 电子工程师,2002 , 28 (11) :37 - 39.
[3] 袁丽肖;王健等,直接转矩控制系统的自适应模糊控制方法的研究[J].微电机（9）：26-29
[4] 潘松等,EDA技术实用教程[M].北京: 科学出版社2005
[5] 杨忠宝;林海波,基于80C196MC的步进电机斩波恒流均匀细分电路的实现[J].微计算机信息：51-52。