基于FPGA的自动液体分析仪步进电机控制系统的设计

摘要

液体样本分析仪器是基于步进电机控制系统的一种医学、生物实验设备。为了达到良好的控制效果，控制系统对步进电机的位置精度要求高，如何减少步进电机的振动、失步、噪音等问题是的系统控制研究难点。本文在研究国内外相关领域资料的基础上，给出了一种基于FPGA的自动液体样本分析仪步进电机控制系统，系统通过生成高频的PWM信号实现可变细分、可变力矩等功能。由于液体样本分析仪器是集上位机、数据库、机械结构、下位机、电机驱动等多领域知识和机构的汇总，本文主要研究自动液体样本分析仪中的步进电机控制系统部分。
　　针对系统的要求，通过对步进电机运行特性和系统结构进行分析，给出了一种新型步进电机的控制系统:结合STM32(MCU)、FPGA和增量型编码器构成了一个完整的运动控制平台。平台采用FSMC接口实现MCU和FPGA之间的通讯;采用闭环控制确保步进电机按照指令精确运行;系统的核心脉宽调制模块分为可变细分控制逻辑与可变力矩控制逻辑:可变细分控制逻辑根据实时的速度信号输出不同的细分数，转速低时细分高，转速高时细分低，这种结构很大程度上克服了步进电机的低频振荡以及失步现象并加快了系统的高频响应速度;可变力矩控制逻辑通过限制低频时力矩的输出克服了力矩突变导致的振荡，提升高频时的输出力矩，改善了系统的频矩特性;驱动模块采用LV8729驱动板以及基于LMD18200的驱动电路，其中LMD18200驱动是自主设计的一种新型的步进电机驱动逻辑。
　　实践表明，采用FPGA+MCU相结合的控制方法和LMD18200新型驱动方法能够实现对多台步进电机的有效控制，并降低了电机运行中的噪音和启动、停止时的振动，使用效果好于大部分常规步进电机驱动方法。

目录

声明

摘要

绪论

1．1 课题的背景以及意义

1．2 国内外研究现状和发展

1．3 主要研究内容

第二章 控制系统方案设计

2．1 系统需求分析

2．2 系统整体方案设计

2．3 接口模块方案设计

2．3．1 FSMC功能介绍

2．3．2 FSMC的地址映像

2．4 闭环模块方案设计

2．5 驱动逻辑方案设计

2．5．1 可变细分逻辑的基本原理

2．5．2 可变力矩逻辑的基本原理

2．6 任意分频电路的设计方案

2．7 算法介绍

2．7．1 PID算法

2．7．2 梯形加速算法

2．8 本章小结

第三章 系统的硬件设计

3．1．1 STM32型号的选择

3．1．2 FPGA型号选择

3．2 STM32硬件电路设计

3．3．1 FSMC接口的连接与配置

3．3．2 FSMC读写存储器的时序图

3．4．1 RS485电路

3．5 FPGA的配置电路

3．6 驱动电路硬件设计

3．6．1 LV8729驱动电路

3．6．2 LMD18200驱动电路

3．7 电源模块

3．7．1 STM32电源模块

3．7．2 FPGA电源模块

3．8 电平转换电路

3．9 系统PCB设计

3．10 本章小结

第四章 控制系统逻辑设计

4．1 FSMC接口模块寄存器说明

4．2 任意分频模块的FPGA实现

4．3．1 目标加速曲线的确定

4．3．2 闭环模块逻辑

4．3．3 编码器输出逻辑

4．4 脉宽调制单元

4．4．1 可变细分的工作原理

4．4．2 可变力矩的工作原理

4．4．3 可变细分与可变力矩控制逻辑的FPGA实现

4．5 控制IP的实现

4．6 本章小结

第五章 实验结果的验证

5．1 通讯模块的测试

5．2 闭环控制以及加减速控制的验证

5．3 编码器结果的验证

5．4 PWM输出验证

5．5 分频模块的功能验证

5．6 细分功能的验证

5．7 可变力矩、可变细分结果验证

5．8 本章小结

6．1 课题总结

6．2 课题展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目