基于FPGA的步进电机伺服控制系统分析.docx

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基于FPGA的步进电机伺服控制系统分析

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摘要：如今，在我国科学技术不断发展的背景下，步进电机伺服控制系统得到了完善，主要基于FPGA和LMD18200技术上，对步进电机在运行中的问题进行了整合，对其中的硬件和各种系统进行了优化。在此过程中，技术人员还可以结合FPGA和增量型编码器，建立完整的运动控制平台。此系统主要由总线接口单元和PWM脉宽调制单元等多项内容组成，它在步进电机运行和设计中的有效应用，可以进一步提高其运行效率。

关键词：FPGA；步进电机；伺服控制系统；分析??

为了在新时代背景下，实现对步进电机的自动化控制，对其的伺服控制系统进行了研究。合理设计了一个基于FPGA的步进电机伺服控制系统，此项工作不仅是社会发展的要求，更是保障其稳定运行的关键。在此过程中，技术人员可以合理采用EDA技术模块化等方法，实现独对步进电机的正反转控制和调速。基于此，本文FPGA的基础上，对步进电机伺服控制系统进行了研究，希望可以给相关的学者提供借鉴价值。

步进电机的特点

虽然在科学技术不断完善的背景下，步进电机在各个工业领域得到了有效应用。但是此设备在控制中还存在步距角大和控制精度不高等多种问题，为了实现对这种设备的合理控制，要在其工作原理出发，采用现场可编程逻辑门阵列，也可就是FPGA，作为系统的主控芯片，提高步进电机伺服控制系统的质量，实现对其中电流和速度的双闭环控制[1]。

在对FPGA技术特点进行研究时，发现其本身具有运算速度快和实时性好等多种优势，其编程还比较灵活，技术人员可以通过数字比较器的同步，让此系统产生多路PWM控制信号，这些信号可以减小步进电机的步距角，不断提高伺服系统的性能，为步进电机安全运行提供保障。

二、FPGA的步进电机伺服控制系统

为满足新时代对步进电机质量的要求，实现对各个系统的自动化控制，要对伺服控制器进行完善，它是扫描机构的核心，也是保障通信系统稳定运行的关键。此系统，主要采用光电编码器等设备，对步进电机在运行的速度和角度信息进行有效采集。一般情况，在对伺服控制器的设计方法，主要是技术人员通过对单片机的合理应用，实现信息通信，但是这种方式已经不能对满足现代化步进电机发展的要求了。这就要求技术人员要在FPGA的基础上，对步进电机伺服控制系统进行完善，将FPGA作为下位机，然后采用硬件描述语言，对扫描机构伺服控制器中的通信系统结构进行优化。由于FPGA具有可移植性比较强的优势，所以在实际的操作过程中，技术人员只需要简单地修改硬件接口，就实现了高速串行的通信。

三、基于FPGA优化步进电机伺服控制系统的措施

（一）掌握步距角的特点

步进电机在实际运行的过程中，受到拍数和转子齿数等多种因素的限制，其步距角是不可能非常小的，这会导致每一单步控制的转动量比较大。如果不有效解决这个问题，在大型的精密控制领域，其步进电机的功能不能满足用户的要求。这就要求技术人员要在此基础上，不断提高步进电机的分辨率，可以采用细分控制技术，对其结构进行优化[2]。

细分控制和插值是非常像的，这种控制方式主要工作原理，是对电机绕组中的电流进行细分，在控制电流之间，适当增加大量中间状态的电流，主要目的是让步进电机能够在工作中保持稳定的状态，有效缩小步距角。细分控制一般有两种细分方式。第一种是让电流按照线性规律的变化对其进行细分。其次就是要按等步距角对其进行细分。

（二）合理设计细分控制硬件

在FPGA技术的基础上，为实现对步进电机等步距角的细分，技术人员还要对其中的硬件进行合理化设计，应用脉冲宽度调制的方式，实现对步距角的控制。PWM主要是对逆变电路开关器件进行通断，让其使输出端可以在实际的运行过程中，得到幅值相等的脉冲，这些脉冲能够有效综合在一起，也就是形成等效的正弦波。在对其中的波形特点进行分析时，发现等效输出波形的质量，与脉冲步距之间存在一定的关系。

如果在同一时刻，其输出的PWM路数越多，其中的脉冲密度也就越高，这个时候波形的质量也是非常好的。但是，以前的步进电机控制系统，一般都是采用单片机，将其作为微处理器，导致此设备在运行中存在一定的局限性。再加上，单片机属于单线程的微处理器，它在同一时刻，只能按照相关的要求执行一条命令，这就会导致其输出波形的质量较差。

因此，这就需要技术要合理应用FPGA运算速度高的特点，对其中的硬件进行优化，主要通过模块化设计等多种模式，让其同时可以产生多路PWM信号，不断提高输出的等效波形质量，保障步进电机伺服控制系统运行的安全性。

（三）优化光电型增量的轴角编码器

在对光电型增量的轴角编码器进行拟优化的时候，如果选择是第一种状态，角编码器值就会存储在计数值寄存器中，这个时候如果门控信号上升，锁存寄存器