步進電動機控制畢業(yè)設計開題報告

1、僅供個人參考同學們：這只是一個開題報告例子，正確的格式要按照學院的要求去做 -KC017-1開題報告審核截止日期是：2014-02-28,要抓緊時間做。注意目錄中標出 的部分必須有。察州K等,施屆畢業(yè)設計開題報告題 目 基于CPLD的步進電動機控制器設計專 業(yè) 電子信息工程姓名班級指導教師 肖閩講起止日期年 月日畢業(yè)設計開題報告（含課題的來源及現(xiàn)狀、設計要求、工作內(nèi)容、設計方案、技術路線、預期目標、 時間安排及參考文獻等內(nèi)容，字數(shù)為 5001000字。）一、課題的來源及現(xiàn)狀近些年來，由于步進電機的控制精度不斷提高，越來越多有較高控制精度要求 的系統(tǒng)也開始采用步進電機。CPL解件由于開發(fā)方式靈活

2、、功能擴展方便、集成度 較高，在各類的設計中占據(jù)了越來越重要的地位。本課題敘述了基于CPLD勺步進電機控制器的設計和實現(xiàn)。步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移 或。線位移的控制驅(qū)動裝置。由于步進電機是受脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。步進電機的線圈中每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步 距角,它的速度和控制脈沖嚴格同步，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。由于步進電機具有精度高、控制靈活、定位準確、工作可靠，能直接接受交換數(shù)字信號等特點，因此廣泛地應用在計量測試儀器中。步進電機通 常可分為三種類型：反應式（VR）、永磁式（

3、PM）和混合式（同步感應子式HB）。在步進電機作為執(zhí)行元件的計算機控制系統(tǒng)中，變頻信號源往往通過計數(shù)器來 實現(xiàn)，脈沖分配則由擴展的并行接口芯片或GAL5片來實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點是電路 結(jié)構成熟、軟件編程簡單、控制靈活、能實現(xiàn)變頻信號源與脈沖分配器的作用。但 它的缺點是集成度不高，硬件電路結(jié)構復雜，占用CPU勺時間過多，可靠性不高。本文提出的采用CPLD/EPLD細分編碼器，充分利用了 CPLD/EPLD大的實時、 并發(fā)處理能力。與傳統(tǒng)采用單片機、DAC專用步進電機驅(qū)動芯片相比，系統(tǒng)構成更為簡單、成本更低。CPL牖繼PAL GA用邏輯器件之后出現(xiàn)的一種新型的復雜可 編程邏輯器件 同以往的PAL

4、GA萼邏輯器件相比較，CPL咐規(guī)模大，適舍于時序 電路、組合電路等應用場合這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點 CPLD5片可反復的編程、擦除、使用，在外圍電路不動的情況下用不同的EPROMS可實現(xiàn)不同的功能。步進電機主要優(yōu)點是響應速度快、定位精度高、無累計位置誤差、驅(qū)動線路簡 單、控制方法簡單，缺點是轉(zhuǎn)動不夠平穩(wěn)，運行時會發(fā)生振蕩現(xiàn)象，它將影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。目前步進電機的控制電路實現(xiàn)方法較多，普遍認為最有效的解決 方法是細分法。目前常用的細分方法是采用單片機實現(xiàn)或?qū)⒓毞謪?shù)存在EEPROM存儲器通過邏輯電路實現(xiàn)細分輸出，包流控制用 DAC1用專用PWM片共同實現(xiàn)。隨 著電子技術

5、的發(fā)展，尤其是硬件描述語言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設計系統(tǒng) 工程的諸多不便，目前已有將CPLD/EPLD于步進電機細分控制器的嘗試隨著超大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平的不斷提高，深亞微米工藝，如0.18 1I m 0.13 1I rnE經(jīng)走向成熟,專用集成電路ASIC勺設計成本在不斷降低。 CPLD/FPGA實現(xiàn)ASIC勺主流器件。它們的特點是直接面向用戶，具有極大的靈活性 和通用性，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，工作可靠性好。I/O 引腳多、規(guī)模大、支持重復擦寫，因此只要重新編程即可實現(xiàn)不同功能的控制器，如： 可使控制器輸出多路運行脈沖以同時控制多臺步進電機，或提供

6、多相步進電機的運行脈沖等等。這種基于CPLD勺設計方法，可以加速同類型產(chǎn)品的開發(fā)速度，節(jié)約投 資，使外圍電路變得非常簡潔，系統(tǒng)的可靠性大大提高，符合電子系統(tǒng)設計的發(fā)展方 向。同時，EDA(ElectronicDesignAutomation) 技術發(fā)揮了巨大的作用。 EDA技術 的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)設計時多采用原理圖輸入的設計模式，而是采用HDL(HardwareDescriptionLanguage)作為設計輸入。設計得可以自己定義器件的內(nèi) 部邏輯和管腳，將原來由電路板設計完成的大部分工作放在芯片的設計中。這大大 縮短了系統(tǒng)的設計周期，提高了產(chǎn)品的設計及開發(fā)效率。硬件描述語言HD是用于硬件構造型

7、結(jié)構的高級編程語言，它能有效地表示硬 件電路的特性，便于閱讀交流和相互調(diào)用。VerilogHDL由 GDA(GatewayDesignAutomation)公司(后被Cadenc必司收購)開發(fā)，于1995年實現(xiàn) 標準化(IEEE-1364)。VerilogHDL的語法類似于C®言，描述風格簡潔明了，高效便 捷。其跟EDAC具的結(jié)合非常密切，適合于RTLK尤其是門級電路的描述，易于控制電 路的資源。在近期內(nèi)，微處理器與CPLD/FP剛有很強的互補性，但從長遠來看，在大部分 的電子設計領域，微處理器、A/D、D/A和OAT等必將以各種軟硬核的形式統(tǒng)一于 CPLD/FPGA片上系統(tǒng)已成為電

8、子設計的趨勢 目前廣泛應用的基于微處理器的步 進電機控制系統(tǒng)今后可采用全硬件來實現(xiàn)，從而克服微處理器速度慢，復位慢，且不可靠，程序易c跑飛d等致命弱點。步進電機及驅(qū)動電源是互相聯(lián)系的整體。步進電機驅(qū)動電源框圖如圖所示。變 頻信號源產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進電機的速度。脈沖分配器則根據(jù)要求 把脈沖信號按一定的邏輯關系加到脈沖放大器上，使步進電機按確定的運行方式工 作。步進電機驅(qū)動電源框圖在步進電機作為執(zhí)行元件的計算機控制系統(tǒng)中，變頻信號源往往通過計數(shù)器來 實現(xiàn)，脈沖分配則由擴展的并行接口芯片或GA芯片來實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點是電路 結(jié)構成熟、軟件編程簡單、控制靈活、能實現(xiàn)圖 1中的變頻信號源

9、與脈沖分配器的 作用。但它的缺點是集成度不高,硬件電路2構復雜,占用CPU勺時間過多，可靠性不 晨） o設計要求步進電動機的定位控制設計方案與技術路線控制系統(tǒng)的核心芯片是CPLD它由兩大功能模塊組成：1）速度控制模塊，核心 是多模式積分分頻器電路，它在不同速度控制信號作用下，可將經(jīng)時鐘分頻器分頻 后的系統(tǒng)時鐘改變?yōu)椴煌腜WM號，將此信號作為方向控制模塊的變頻時鐘，可達 到改變步進電機速度的目的；2）方向控制模塊，核心是脈沖分配電路，在每一個變 頻時鐘周期內(nèi)，脈沖分配器可在不同的方向控制信號下產(chǎn)生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機是順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動。以CPLM核心邏輯控制器件的兩

10、相混合式步進電動機驅(qū)動器主要包括以下部 分：前向通道、核心邏輯控制電路、電流設置 （補償）電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動 電路、檢測保護電路等。其工作過程如下。從控制器輸入的脈沖、細分數(shù)選擇、勵磁 OFF方向等信號經(jīng) 過前向通道后送給以CPL3核心的邏輯控制電路，這里，信號經(jīng)過判斷處理，輸出 相應的細分控制數(shù)據(jù)至D/A專換器，D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)電流設定值和補償值，輸出模 擬的正弦波繞組電流參考信號，參考信號與電流反饋信號共同控制PWMS形發(fā)生器。 使之產(chǎn)生脈寬調(diào)制波.PWMfcffi過驅(qū)動電路后，加在步進電動機的繞組上控制其電 流。從而驅(qū)動步進電動機運行。利用變頻調(diào)速的原理，步進電機的速度與每步所用

11、的時間有關。每步時間越長 則頻率越低，從而速度就越慢。因此，只要控制每步的延長時間，即控制時鐘頻率， 便可控制步進的速度。采用多模式積分分頻電路即可獲得 PWMB號。常用的三相反應式步進電動機采用單三拍 A一 B, Cf A;雙三拍AB8 CZ AB 或單、雙六拍A- A B-B8C-CQA?運行方式（若反方向運轉(zhuǎn)，則通電順序只需 將上述的箭頭反向即可）。文中針對三相單、雙六拍運行方式進行設計。由于單、雙 六拍的通電狀態(tài)是確定的，所以對控制器邏輯關系描述采用了狀態(tài)機方式，以使其各 個工作狀態(tài)間的相互關系更加清楚，一目了然。反應式步進電機是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的，是我國目前使用最廣泛的步進 電

12、機型式。其定子上有六個磁極并裝有控制繞組，每相對的兩極組成一相。當三相定 子繞組輪流接通驅(qū)動脈沖時產(chǎn)生磁場并吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。定子線圈的通電順序決定轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動方向，而所加脈沖頻率又決定了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率 及各相繞組的通電順序，便可獲得所要求的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。根據(jù)三相脈沖加入的 相序及方式可將其工作狀態(tài)分為三相三拍和三相六拍兩種。cp -u-LrLrLrLrLrLrLrLTLrLa II_B J|C三相六拍正轉(zhuǎn)cp "LrLrLrLrLrLrLrLnrLTL三相六拍反轉(zhuǎn)三相六拍驅(qū)動模式真值表三超攤嘛）(TPI 盟 F3 P1 百 P5Pl P? P3 1JI F5

13、 16A110001111 o o d 1011100000111C0001111011100這次所設計的控制器實現(xiàn)了變頻信號源和脈沖分配器的作用它支持單、雙六拍 通電方式；正、反方向運行；能對外部時鐘信號進行分頻，使進步電機的調(diào)速范圍非常 寬廣，無需頻繁中斷，且占用CPU勺時間很少。步進電機內(nèi)合成磁場的幅值及兩相鄰合成磁場夾角決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的 大小及步距角的大小。通過對步進電機勵磁繞組中電流加以控制，使步進電機內(nèi)部 的合成磁場形成幅值不變、均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，便可實現(xiàn)步進電機包力矩及步距 角均勻細分控制。因此，要實現(xiàn)步進電機包力矩細分控制必須通過合理控制步進電 機內(nèi)各項繞組中的勵磁電

14、流。對三相反應式步進電機實現(xiàn)均勻細分比較簡便可行的 方法是采用如圖所示波形的繞組電流。三相反應式步進電機繞組電流波形細分驅(qū)動電路主要由細分、包流控制、功率放大三部分組成。目前一般的做法 多采用單片機和專用PWM動芯片、DAC1構成，系統(tǒng)構成較為復雜。步進電機的功 率放大器的控制信號需要良好的實時性與并行、同步性能，而采用CPLM以很好地解決此類問題。將細分與恒流控制電路集成在一片芯片上，可大大提高集成度、簡 化步進電機細分驅(qū)動電路。系統(tǒng)原理結(jié)構框圖數(shù)據(jù)線8位）【竦沖信號輸出£3個>（復位值號） >t時科信號1 計數(shù)器控制）班進方向選擇）步進電機控制器的端口功能圖細分模塊由

15、遠控信號解碼編碼功能模塊、細分狀態(tài)控制器、細分表三部分組成 下圖為細分模塊構成原理簡圖。解用模式 細分選揮RST/IFBPa細分表細分模塊原理圖圖中，PULSE/DI時月沖/方向信號，CW/CCW；正向/反向控制信號，UP/DOWN向/反向控制信號IPA,P BIPE三相繞組電流的節(jié)拍計數(shù)，DA,DB,D次三相繞組輸出 電流設定值，AVHSTB,B VHSTB,C VHS的壓輸出控制信號，RS叨復位反饋信號， /IFB為反饋信號。1遠控信號編碼該功能模塊可支持PULSE/DIR（永沖/方向）模式與CW/CCW向/反向）模式兩種 脈沖輸人信號。兩種脈沖輸出方式如表1所示。在模塊內(nèi)部邏輯中采用UP

16、/DOWN式, gpcw/ccWo脈沖/方向信號波形表脈沖輸出模式MODE驅(qū)動方向1出值號波形SKCW/D1R)S2(CCW/PULSE)0CWZCCW無方向驅(qū)動輸出Low 電平負方向 驅(qū)動輸出Low電平rTFLj-1PULSE/DIR正方向 驅(qū)電,出Low電平OJ-L-r-負方向 舞動出rTTLj-Hl電平2 .細分狀態(tài)控制器及細分表對于實現(xiàn)m細分的三相反應式步進電機，一個電角度周期可細分為6m節(jié)拍。根據(jù)UP/DOWN號增減節(jié)拍位置，若 用目的節(jié)拍位置為PA則根據(jù)B相滯后用目,C相超前A 相，可計算出B的節(jié)拍位置PB,Cf節(jié)拍位置PC計算出月目各節(jié)拍參考電流參量存入 細分表中，DA,DB,D

17、分別為節(jié)拍位置PA PB,PO對應的電流參量。AVHSTB,BVHSTB,CVHSTB壓驅(qū)動回路驅(qū)動選通信號。電機電樞驅(qū)動電路采用高低 壓法，其基本思路是，不論工作頻率如何，在繞組電樞驅(qū)動電路采用高低壓法，不 論工作頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中的電流迅速上升，而后 用低壓來維持繞組中的電流。這樣每次換相對于剛開始充電的繞組，該相的高壓驅(qū) 動選通信號有效，維持很短的一段時間后使該信號無效，由該相的低壓回路選通信 號控制電樞回路電流。3 .Bang-Bang恒流控制器電流跟蹤控制的思路比較簡單，即當前周期的控制信號總是要使當前電流趨向 參考電流。如果當前周期的參考電流與采樣電流的

18、偏差小于零，則立即關斷相應相 主開關，反之，則立即開通相應相主開關，故又叫BangrBangS制。電流跟蹤控制與常用的電流滯環(huán)斬波控制是相同的，只是前者只有一個參考電流值，并在一定程 度上相當于后者兩個參考電流上下限值的平均值。從控制效果來說，顯然電流跟蹤 控制更能準確地實現(xiàn)電流目標值，斬波頻率更高，有利于電機的高效與低噪。開關 周期應遠小于電機電氣時間常數(shù)。電樞電流經(jīng)過電流電壓放大器產(chǎn)生分別對應于三 相電流的變換電壓VA,VB,VG各項的參考值與實際值通過比較器比較產(chǎn)生 AIFB,BIFB,CIFB ,結(jié)果送入Bang- Bang控制器，決定下一開關周期驅(qū)動電路通斷。4.步進電機方向控制模塊

19、方向控制模塊的核心是脈沖分配電路，它有兩個輸入信號：一個是PWM1號構成的變頻時鐘，每輸入一個PWM沖，脈沖分配器的四相輸出時序?qū)l(fā)生一次變化， 從而使步進電機轉(zhuǎn)動一步；另一個是方向控制信號，它的不同狀態(tài)將使脈沖分配器 產(chǎn)生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向。本系統(tǒng)中采用了Mealy型狀態(tài)機描述方法。若按照S0, S1, S2, S3犬態(tài)循環(huán)輸出，則步進電機正轉(zhuǎn)；若按照 S3, S2, S1, S0犬態(tài)循環(huán)輸出，則步進電機反轉(zhuǎn)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中若采用狀態(tài)編碼為S0 = 0111;S1 = 1110; S2 = 1101; S3 = 1011,則為二相激勵；當狀態(tài)編碼采用 S0 =

20、 0010; S1 = 0100; S2 = 1000; S3= 0001時可實現(xiàn)一相激勵；當狀態(tài)增加為 8個并采用一 相和二相中交替的狀態(tài)編碼時可實現(xiàn)一二相激勵。圖4方向控制模塊的仿真波 形，從圖中可以看出，坐標軸處direction 上升沿脈沖的左側(cè)STEPB號按順序是 “7EDB ,右側(cè)STEP信號按順序是“ BDE7 ,方向正好相反。不得用于商業(yè)用途方向控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖本設計采用Altera 公司的MAXPlus+I進行設計，并用MAX7000s（歹1的器件實 現(xiàn)，利用CPLD器件實現(xiàn)步進電機的控制電路，對提高電路的可靠性、靈活性都是 有益的嘗試。今后，可編程邏輯器件在步進電機控制

21、中將發(fā)揮其獨特的優(yōu)越性。4、 預期目標步進電動機定位控制5、 工作內(nèi)容1 . FPGA/CPLD（理研究2 . VHDL®言設計3 .步進電動機原理與應用4 .系統(tǒng)設計與編程5 .調(diào)試，仿真系統(tǒng)功能實現(xiàn)。6、 時間安排第1周：收集資料第2-6周：課題研究，方案設計第7-12周：硬件軟件設計，調(diào)試第12-15周：撰寫畢業(yè)設計論文，答辯7、 參考文獻1 .CPLD/FPG席電子設計中的應用前景2 .機電控制3 .EDA實用教程4 .單片微機測控技術大全5 .VHDL語言設計6 .步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)7 .控制電機8 .步進電機控制技術入門9 .步進電機的運動控制系統(tǒng)及其應用10 .VHDL 硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設計11 .微型計算機原理與應用12 .編程邏輯系統(tǒng)的VHD沒計技術13 .CPL晾統(tǒng)設計技術入門與應用14 .用VHD自計電子線路15 .數(shù)字系統(tǒng)設計與PLLE用技術16 .CPLD/FPGAJ開發(fā)與應用17 .電子設計自動化（EDA教程18 .CPLDJ術及其應用19 .現(xiàn)代電子技術20 .數(shù)字系統(tǒng)設計與Verilog HDL電子技術應用浙江大學出版社科學出版社北京航空航天大學出版社電子工業(yè)出版社哈爾濱工業(yè)大學出版杜西安電子科技大學出版社同濟大學出版社，微特電機西安電子科技大學出版社武漢華中理工大