基于FPGA 的步進電機控制器設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告（含文獻綜述、外文翻譯）題目FPGA的步進電機控制器設(shè)計姓學(xué)名號專業(yè)班級所在學(xué)院指導(dǎo)教師（職稱）二○一一年六月十五日PAGEPAGE1畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告（包括選題的意義、可行性分析、研究的內(nèi)容、研究方法、擬解決的關(guān)鍵問題、預(yù)期結(jié)果、研究進度計劃等）浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文外文翻譯 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文外文翻譯 PAGEPAGE7選題的背景和意義選題的背景步進電機已成為出直流電機和交流電機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生活和生產(chǎn)進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。可是在人類社會進入電氣化時代的今天，傳統(tǒng)電動機已不能滿足工業(yè)自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。發(fā)展了一系列新的具有控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應(yīng)用十分廣泛的就是步進電機。步進電機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關(guān)。自從步進電機在計算機外圍設(shè)備上另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電機推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。步進電機是一種使用非常廣泛且易于精確控制的執(zhí)行元件，隨著微電子技術(shù)FPGA滿足了現(xiàn)代工業(yè)對步進電機的高要求。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19201950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,步進電機細分驅(qū)動技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅(qū)動控制技術(shù)。1975T.R.Fredriksen首次在美國增量電機繞組中的電流，使步進電機內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，每個進給脈沖所引起的合成磁場的角度變化要均勻。發(fā)展趨勢傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。步進電機作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(100%)要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中了。FPG（Field－ProgrammableGateArraPAGAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。EDA新發(fā)展方向，它徹底改變了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)手段。隨著硬件描述語言VHDLCPLD~FPGAFPGA能優(yōu)越、可靠性強等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。研究的基本內(nèi)容基本框架步進電機定位控制器的系統(tǒng)主要由步進電機方向設(shè)定電路模塊、步進電機步進移動與定位控制模塊以及編碼輸出模塊構(gòu)成。前兩個模塊完成電機旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定、激磁方式和定位角度的換算等工作,后一模塊用于對換算后的角度量編碼輸出。研究的重點和難點步進電機的加減速控制從步進電機的矩頻特性可知，步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩就越小，帶動負載的能力就越差，啟動時容易造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速地達到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中加速度所要求的轉(zhuǎn)矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的轉(zhuǎn)矩，又不能超過這個轉(zhuǎn)矩。因此，步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。而以前升速和降速大多選擇按直線規(guī)律，采用這種方法時，它的脈沖頻率的變化有一個恒定的加速度。在步進電機不失步的條件下，驅(qū)動脈沖頻率變化的加速度和步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。在步進電機的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時，直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線，而步進電機的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升而下降，所以直線就不是理想的升降速曲線。因此，按直線規(guī)律升降速這種方法雖然簡單，但是它不能保證在升降速的過程中步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng)，不能最大限度的發(fā)揮電機的加速性能。改變這一狀況的辦法就是程：。該方程為步進電機的升速特性，由此可繪制出電機升2ft這樣就可以在較短的時間內(nèi)使步進電機的轉(zhuǎn)速上升至要求的運行速度。鑒于大多數(shù)的步進電機的矩頻特性都近似線性遞減的，所以上述的控制規(guī)律為最佳。將上升段均勻地離散成幾段，即為階梯升速的分檔數(shù)。對于每檔的上升時間、頻率、各分檔速度的運行步數(shù)及總的升速步數(shù)計算出來，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)編入程序中。程序執(zhí)行過程中，對每一檔速度下運行的步數(shù)都要進行減１運行，當(dāng)減至０時，表明該檔速度應(yīng)走的步數(shù)已經(jīng)走完，再進入下一檔速度，直至循環(huán)到給出的速度大于或等于給定的速度為止。減速過程與之剛好相反。步進電機的方向控制方向控制模塊的核心是脈沖分配電路，它的兩個輸入信號，一個是PWM信號PWM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。若步進電機采用四相八拍的控制方式，定子通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DAA。則方向控制模塊的狀態(tài)流程圖如圖3所示。其中D=1表示電機順時針轉(zhuǎn)動，D=0表示電機逆時針轉(zhuǎn)動。擬解決的關(guān)鍵問題完成步進電機定位控制器構(gòu)的VHDL語言設(shè)計及仿真，并實現(xiàn)硬件和軟件的調(diào)試。按下不同的鍵，分別使步進電機實現(xiàn)順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)一步，連續(xù)按鍵，不僅電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，顯示器顯示步進電機的狀態(tài)，實現(xiàn)電機的精確控制。研究的方法及措施控制器主要基于FPGA開發(fā)平臺，采用Top-Down和模塊化的設(shè)計方法，將系統(tǒng)分解成3使用VHDLQua