基于FPGA的步进电机控制器设计

毕业设计（论文）开题报告（含文献综述、外文翻译）题目基于FPGA的步进电机控制器设计姓名学号专业班级所在学院指导教师（职称）二○一一年六月十五日1毕业设计（论文）开题报告（包括选题的意义、可行性分析、研究的内容、研究方法、拟解决的关键问题、预期结果、研究进度计划等）浙江大学城市学院毕业论文外文翻译21.选题的背景和意义1.1选题的背景步进电机已成为出直流电机和交流电机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生活和生产进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今天，传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。发展了一系列新的具有控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的就是步进电机。步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快的促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。步进电机是一种使用非常广泛且易于精确控制的执行元件，随着微电子技术的发展，其控制方法多种多样。基于FPGA技术对步进电机的转速进行精确控制，满足了现代工业对步进电机的高要求。1.2国内外研究现状步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是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。步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机浙江大学城市学院毕业论文外文翻译3综合使用性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，从本质上讲是对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。要想实现步距角均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化要均匀。1.3发展趋势传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，适合应用于各种开环控制。今日，步进电机已广泛的运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性等灵活控制性高的机械系统中了。FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它彻底改变了数字系统的设计方法和实现手段。随着硬件描述语言VHDL的普及以及CPLD~FPGA器件的广泛应用，它必将在硬件设计领域发挥更为重要的作用。基于FPGA技术对步进电机的转速进行精确控制，具有可移植性能优越、可靠性强等优点，具有广泛的应用前景。2．研究的基本内容2.1基本框架步进电机定位控制器的系统主要由步进电机方向设定电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块以及编码输出模块构成。前两个模块完成电机旋转方向设定、激磁方式和定位角度的换算等工作,后一模块用于对换算后的角度量编码输浙江大学城市学院毕业论文外文翻译4出。2.2研究的重点和难点2.2.1步进电机的加减速控制从步进电机的矩频特性可知，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩就越小，带动负载的能力就越差，启动时容易造成失步，而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速地达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。而以前升速和降速大多选择按直线规律，采用这种方法时，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降，所以直线就不是理想的升降速曲线。因此，按直线规律升降速这种方法虽然简单，但是它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能最大限度的发挥电机的加速性能。改变这一状况的办法就是浙江大学城市学院毕业论文外文翻译5寻求按指数规律升降速的离散控制算法，经多次运行，以达到预期目标。由步进电机的动力学方程和矩频特性曲线，在忽略阻尼转矩的条件下，可以推导出如下方程：。该方程为步进电机的升速特性，由此可绘制出电机升速曲线，如图2所示。该方程表明驱动脉冲的频率f应随时间t作指数规律上升，这样就可以在较短的时间内使步进电机的转速上升至要求的运行速度。鉴于大多数的步进电机的矩频特性都近似线性递减的，所以上述的控制规律为最佳。将上升段均匀地离散成几段，即为阶梯升速的分档数。对于每档的上升时间、频率、各分档速度的运行步数及总的升速步数计算出来，并将相应的数据编入程序中。程序执行过程中，对每一档速度下运行的步数都要进行减１运行，当减至０时，表明该档速度应走的步数已经走完，再进入下一档速度，直至循环到给出的速度大于或等于给定的速度为止。减速过程与之刚好相反。2.2.2步进电机的方向控制方向控制模块的核心是脉冲分配电路，它的两个输入信号，一个是PWM信号构成的变频时钟，每输入一个PWM脉冲，脉冲分配器的输出时序将发生一次变化，从而使步进电机转动一步；另一个是方向控制信号，它的不同状态将使脉冲分配浙江大学城市学院毕业论文外文翻译6器产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机的转动方向。若步进电机采用四相八拍的控制方式，定子通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DAA。则方向控制模块的状态流程图如图3所示。其中D=1表示电机顺时针转动，D=0表示电机逆时针转动。2.3拟解决的关键问题完成步进电机定位控制器构的VHDL语言设计及仿真，并实现硬件和软件的调试。按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转一步，连续按键，不仅电机连续运转，显示器显示步进电机的状态，实现电机的精确控制。3．研究的方法及措施控制器主要基于FPGA开发平台，采用Top-Down和模块化的设计方法，将系统分解成3个的功能模块,分别是方向控制模块、移动定位控制模块和编码输出模块。使用VHDL输入作为电路设计与输入的方法实现各模块的通讯，通过QuartusⅡ和Modelsim等开发软件完成综合、布局布线以及仿真。然后将这些模块互联起来，最终实现控制器的设计。步进电机需要就有高定位精度和定位重复性的特性，以完成FPGA对电机的精确控制。浙江大学城市学院毕业论文外文翻译74．预期研究成果1.完成系统的整体电路设计、以及软件的设计编写，并实现硬件和软件的调试，实现对电机的精确控制，并发表论文1～2篇。2.完成步进电机定位控制器构的VHDL语言设计及仿真。3.按下不同的键作步进电机速度及转向的控制并显示步进电机的状态。A）电机正向或逆向运转的切换；B）电机加速运转；C）电机减速运转；D）电机按给定速度匀速运转。