英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于图形用户界面实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）的现场可编程门阵列（FPGA）的高精度步进电机控制器的实现
Arvind Kumar1, Mrs. M. Valarmathi2
技术学者[超大规模集成电路设计]，ECE部门，SRM大学，钦奈，印度1
助理教授，ECE部门，SRM大学，钦奈，印度2
摘要：无线控制步进电机采用超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）设计，并通过简洁的现场可编程门阵列（FPGA）实现。采用的电机控制器是通过使用脉冲宽度调制技术（PWM）来进行控制，从而能提供非常高的精度。由于步进电机的转矩大，因而能够处理大型工业自动化系统。在这个系统中图形化用户界面将在使用实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）时被设计，从而将控制参数传递给无线连接的步进电机。同样的系统也可用于移动机器人，其在危险区域内运行时，可以通过控制控制棒的运动很好地配备核反应堆。一个最好的用途是监测太阳能，因为步进电机的分辨率可以提高到0.915˚。
关键词：现场可编程门阵列（FPGA），脉宽调制技术，高精度，无线电机控制，图形用户界面（GUI），实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）。
- 引言
这次我们使用了采用高速集成电路硬件描述语言（VHDL）的无线步进电机控制器进行设计，并通过Xilinx公司的简洁的现场可编程门阵列（FPGA）实现。该采用的电机控制器使用脉宽调制技术（PWM）进行控制，而采用这种控制方式可以使步进电机的分辨率提高到0.915˚，故能提供很高的精度用于监测太阳能。这里之所以不需要光传感器，是因为高精度的电机，它会像一个能提供相比于早期提出的系统，更高效率和性能优化的系统的传感器。监测系统的总功率收集效率从原来的固定面板只有45%增加到相同的面板超过60%以上。由于步进电机具有高转矩，因而它能够处理大的太阳能电池板。在这个系统中，在设计实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）时图形用户界面将被使用于向无线连接的步进电机给出控制参数。同样的系统也可用于移动机器人，在危险区域内运行，可以通过控制控制棒的运动很好地配备核反应堆。
- 准备工作
步进电机控制器实现所使用集成电路介绍在引用[ 12 ]使用的微控制器，AT89C51。这些模型使用三相波形发生器生成PWM信号。然而，他们只是专为某些应用程序。一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的开环步进电机驱动器的实现在引用[ 11 ]。该文提出了通过模拟-数字转换器（ADC）来调整输入到电机的每个阶段的的电流和电压和精确定位定期采样的的占空比的方案。这种设计涉及到许多分立元件，如H桥电路，放大器，抗混叠滤波器和ADC。一种基于现场可编程门阵列（FPGA）硬件的新型的步进电机控制器的实现在引用[ 10 ]。该文提出了利用速度分布发生器来计算指数脉冲通过时间滞后序列生成算法。最新的论文[ 4 ]是一种符合成本效益的无线可重构控制器，其使用PWM技术来产生所需的信号来控制步进电机。这里脉宽调制（PWM）信号是通过能产生必要的信号精确定位电机的操纵系统时钟来实现的。而该文中生成脉宽调制（PWM）信号的计数模块的算法在现场可编程门阵列（FPGA）工具包中编写，并且为了精确控制电机的脉宽调制（PWM）波形是通过增加计数器的位计数来变化的，从而在对脉宽调制（PWM）波形占空比的操作中增加计数器结果的比特计数。
脉宽调制（PWM）或脉冲宽度调制（PDM）是一种调制技术，其具有符合脉冲宽度和正式的脉冲持续时间。它的主要用途是允许对电力设备供电的控制，特别是对惯性负载，如电动机的控制。术语“占空比”描述了“高电平”的时间在一定的时间间隔或“时间段”的比例；而之所以低占空比对应于低功率，这是因为大部分时间的电源断开。占空比以百分比表示，100%表示全部高电平。
图1脉宽调制技术
- 步进电机型号
步进电机是一种无刷、开环的机电一体化装置，它能以较小的角度旋转。在高精度、高性能的转矩控制中，它是一种高效的运动控制应用。另一方面相反的，它是成本低，简单，并在更宽的速度范围里提供更好的扭矩性能 [ 3 ]。步进电机被广泛应用于核电站、航空、机器人、汽车、医疗、制造等领域的精密运动和测量应用中。一个理想的例子是在表面贴装技术（SMT）生产线上拾取和放置机器。此外，步进电机还适用于危险的和极端的环境中，如火山区，原子或化学工厂，狭窄的空间，如在倒塌的建筑物或地下，山区和机器人应用，如飞行机器人。步进电机是一种电动马达，它由电流驱动电机产生旋转。物理上来说，步进电机可以使用大电流但往往用大约毫安级别这样小到可以驱动的电流驱动。图2显示的是步进电机与直流电机的区别。电流脉冲被施加到电机，并由此产生的电机轴的离散旋转。这不像一个运行为连续旋转的直流电机。虽然用这种方式驱动步进电机是可能的，在这种方式下步进电机能够近似连续旋转，但是这样做需要更精细的输入波形来驱动步进电机。
脉冲数=所需的角位移/步进角
输入的电脉冲的数量是与角位移成正比的。而且脉冲宽度决定步进电机的角速度。因此通过控制脉冲宽度和脉冲的数量，以达到所需的旋转角度是可能的。
图2步进电机与直流电机的区别
- 提出的架构
图3所示的体系结构由蓝牙适配器模块和现场可编程门阵列（FPGA）开发工具包组成。利用实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）设计的图形用户界面（GUI），用于控制不同步进电机的不同参数[ 5 ]。用户图形界面在系统显示器上显示，系统集成的蓝牙模块作为发射器，将控制信号发送到蓝牙接收模块，此时蓝牙接收模块接收到的控制信号通过RS232电缆传输到现场可编程门阵列（FPGA）套件。现在，根据操作员发出的命令信号，该特定命令的ASCII码将与现场可编程门阵列（FPGA）工具包中的超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）模块匹配，并且将执行特定模块将信号发送到最终控制单元。
图3系统结构
- 图形化步进电机控制器
为了精确控制步进电机，图形用户界面在笔记本电脑使用NI LabVIEW版本8.6进行设计。而图形化用户界面将由3个控件组成—
- 角设置
- 方向设置（正向和反向）
- 最后一个为设置电机轴应该旋转的速度。
现在，这个控制信号将被发送到现场可编程门阵列（FPGA）工具包，从那里将触发特定的超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）代码，以从步进电机获得所需的输出。该控制信号将通过便携式USB蓝牙发射器发送到现场可编程门阵列（FPGA）套件，而现场可编程门阵列（FPGA）套件将连续接受来自于笔记本电脑的控制信号，并将其发送到接收机，在那信号将被接收到。
接收器将包括一个编码器，其将编码电路的控制信号，该控制信号将通过DB9电缆传送到现场可编程门阵列（FPGA）套件。而在现场可编程门阵列（FPGA）套件中，驱动信号将使用驱动电路升压，然后将其给予步进电机，使其能够驱动步进电机。
图4图形用户界面
- 步进电机控制器VHDL模型
在步进电机中，被控制的主要参数是角速度、方向和角位移。这些信息将在115千赫的频率下无线使用蓝牙控制器时发送到步进电机控制器。在控制器接收到的信息将使用通过使用超高速集成电路硬件描述语言（VHDL)设计的RS232控制器的蓝牙模块解码。然后将数据馈送到信号编码器，并由电机驱动模块将数据转换成可理解的格式。步进电机控制器的RTL视图如图5所示。
对于接收模块，来自图形用户界面的信息以设计的每秒115000比特的波特率，通过输入端RXD被反馈到RS-232控制器。然后信息将被级联和转移到缓冲寄存器八次，并保存为一个8位数据。
对于发送模块，当发送被触发，数据会被分配到一个八位寄存器。在寄存器的每一位会以设计的每秒115000比特的波特率被送到TXD输出端。所有八位被传输后，模块终止传输，直到观察到下一个发送。
图5 RTL原理图
- 结果
该控制器的超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）设计是通过Spartan 3E 现场可编程门阵列（FPGA）来实现的。结果表明，所需的角位移，可以通过设置的脉冲计数的数目获得，该算法是每当用户输入他所需的角位移值，由内部计算实现的。如果脉冲在特定序列中的线圈中给出，步进电机将在一个方向上旋转，否则，如果序列的方向相反，那么它以与前一个方向相反旋转。在测试中，控制器能够与图形用户界面系统在距离为10米的环境下进行无线通信。
图6仿真结果
表1
使用Xilinx ISE 13.1设计总结
|
Logic Utilization(逻辑利用项目) |
Used（被使用的数量） |
Available（可用数量） |
Utilization（利用率） |
|
Number of Slice Flip Flops（片触发器数） |
615 |
1,920 |
32% |
|
Number of 4 input LUTs（4输入LUT数量） |
859 |
1,920 |
44% |
|
Number of occupied Slices（占用切片数） |
721 |
960 |
75% |
|
Number of Slices containing only related logic（仅包含相关逻辑的切片数） |
721 |
721 |
100% |
|
Number of Slices containing unrelated logic（包含无关逻辑的切片数） |
0 |
721 |
0% |
|
Total Number of 4 input LUTs（4输入LUT的总数） |
1,339 |
1,920 |
69% |
|
Number used as logic（用作逻辑的数量） |
859 |
||
|
Number used as a route-thru（作为路线通过的数量） |
480 |
||
|
Number of bonded IOBs（受保护的输入输出缓冲数量） |
28 |
66 |
42% |
|
Number of BUFGMUXs（BUFGMUX的数量） |
2 |
24 |
8% |
|
Number of MULT18X18SIOs（MULT18X18SIO的数量） |
2 |
4 |
50% |
表1显示了使用Xilinx ISE 13.1的设计利用总结，在设计实现后，我们可以通过审查“设计总结”部分验证设备的利用率。一些变化能够在综合利用后的报告和利用图形化的报告中被预见。例如，使用片状逻辑分布下，综合估计设计将被怎样包装和放置到目标架构，同时蓝图提供了有关包装和布局后发生的利用细节。此外，设置物理合成地图的属性，如全局优化，寄存器复制，或逻辑优化，可能会导致设备利用率的差异。
- 总结
本文介绍了一种采用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)设计的步进电机控制器，并在现场可编程门阵列（FPGA）中实现。该系统能够控制步进电机的步进角度达到0.915˚。除此之外，我们可以在不同的–不同速度旋转，顺时针和逆时针方向进行位移。在这里，图形用户界面被设计用于输入用户定义的控制参数，以忠实地实现控制系统在工业自动化。
使用实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）的主要优点之一是，它作为一个虚拟仪器，能够降低项目成本，和消除控制面板的必要性。它所具有用户友好的特点，能减少编程复杂度。同时错误也可以很容易地被识别和纠正。
承诺书
我真心诚意满腔热忱地感谢，我们的工程技术指导老师Dr.C
全文共7734字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[142749]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
