基于FPGA步进电动机驱动控制器设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院、电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ：基于 FPGA 步进电动机驱动控制器设计指 导 教 师 : 2013 年 3 月 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1 本课题研究背景步进电机(Stepping motor)是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的机电元件，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角” ） ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。它能够在不涉及伺服系统复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并且具有性价比高、易于控制以及无积累误差等优点，在民用、工业用的经济型数控开环定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值 1。步进电机是由输入的脉冲信号来加以控制的。模拟电路虽然可以用来产生连续可调的脉冲信号，但却难以控制，而用数字集成电路来对步进电机进行控制，则能克服以上缺点。现在，数字集成电路的设计越来越多地采用VHDL+FPGA的设计方法。采用HDL的设计方法有着不依赖器件、移植容易、能加快设计的特点。并且，VHDL在现场就能进行修改，与FPGA器件相结合，能大大提高设计的灵活性与效率，缩短产品的开发周期，加快产品的上市时间。VHDL+FPGA的设计方法是数字系统设计的一个创新，也是未来的一种发展方向 23。 2 本课题相关技术及国内外发展现状2.1 步进电机简介现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电机（PM） 、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等 4。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度 或15 度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。合成的磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两个合成磁场矢量的夹角大小决定了该步距角的大小。对于三相步进电机而言，向 A 、B 、 C 绕组分别通以相位相差 2/3 ，而幅值相同的正 弦波电流（图1） ，则合成的电流矢量在空间做幅值恒定的旋转运动，其对应的合成磁场矢量也作相应的旋转从而形成旋转力矩（图 2） 。 A 、 B 、 C 三相瞬时电流值如式（1） 、 （2） 、 （3）所示 56。（1）cosamiIt（2）2s3bmiIt（3）4cos3cmiIt 图 1 步进电机正弦细分三相绕组电流波形图图 2 旋转力矩图2.2 FPGA简介FPGA是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑，因而也被用于对CPU的模拟。用户对FPGA的编程数据放在Flash芯片中，通过上电加载到FPGA中，对其进行初始化。同样也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的CPU，这是当今研究的热门领域。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。FPGA的基本特点主要有：1)采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3)FPGA是ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。4)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一 78。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA 功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活 910。2.3 Verilog HDL简介Verilog HDL是硬件描述语言的一种用于数字电子系统设计。它允许设计者用其来进行各种级别的逻辑设计，以及数字逻辑系统的仿真验证、时序分析和逻辑综合Verilog HDL时目前应用最为广泛的一种硬件描述语言 11。Verilog HDL设计综合过程 12 13 14 15可划分为下述6个步骤:(1)设计要求的定义；(2)用Verilog HDL进行设计描述(系统描述与代码设计)；(3)源代码仿真；(4)设计综合，设计优化和设计的布局布线；(5)布局布线后的设计模块仿真；(6)器件编程。2.4 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 16。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。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。 2.5 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。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 17。参考文献：1白中和. 步进电机控制电路设计.北京:建兴出版社,1999.52许实章. 电机学.北京:机械工业出版社,1950.23朱明程. FPGA原理及应用设计.北京:电子工业出版社,1994.34孙冠群,于少娟.控制电机与特种电机及其控制系统.北京:北京大学出版社,2011.15Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2010, Vol.26 (6), pp.759-7676刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨:哈尔宾工业大学出版社,1997.67Xilinx XC6200 Field Programmable Gate Arrays Product Specification,1.10edition,19978T.C.Fogarty,J.F.Miller,and P.Thomson.Evolving Digital Logic Circuits inXilinx 6000 Family FPGAs.In Soft Computing in Engineering Design andManufacturing,pp299-305.Springer,19989Xilinx Databook:XC4000E and XC4000X Series Field Programmable Gate ArraysProduct Specification,1.4 edition,199710谭会生,张昌凡. EDA技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社,2001.711王毅平,张振荣. VHDL编程与仿真.北京:人民邮电出版社,2000.512朱明程,孙普译. 可编程逻辑系统的VHDL设计技术.南京:东南大学出版社,1998.313Int. J. Adapt. Control Signal Process., 2008, Vol.22 (3), pp.266-28814沈树群,张艳. 基于FPGA 语言的实用FPGA设计.北京:科学出版社,2004.215杨吉斌. 数字系统设计与Verilog HDL.北京:电子工业出版社,2002.116王志新,罗文广.电机控制技术.北京:机械工业出版社,2011.117李光友,王建民,孙雨萍.控制电机. 北京:机械工业出版社,2009.1 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 本课题研究的问题本课题研究学习步进的结构和工作原理，学习 FPGA 基本控制和设计方法，学习脉冲分配器芯片 8713 的工作原理和控制方法。研究以 FPGA 为控制核心借助脉冲分配器芯片 8713 实现对步进电动机的换相控制、转速控制和转向控制的控制方法。2 本课题的研究方案本次设计是通过脉冲分配器芯片 8713 发送脉冲信号来控制步进电动机的启动，换相控制，加减速控制以及转向控制等。8713 脉冲分配器以及接口如下图 1图 1 8713 脉冲分配器以及接口8713芯片有16个引脚，各引脚的功能如下表所列：实现脉冲分配，也就是通电换相控制，使用脉冲分配器芯片 8713 来进行通电换相控制。8713 是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电动机，可以选择单时钟输入或双时钟输入。具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能。所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力。8713 使用 4 18V 直流电源，输出电流为 20mA。严格按照步进电动机的工作方式进行。如使用单三拍工作方式，其各相通电的顺序为 A-B-C，通电控制脉冲按照这一顺序分别控制 A、B、C 相的通电和断电来实现对步进电动机的换相。其中的转向控制就可以利用 DSP 的 PWM 口的“强制高”输出（正转）和“强制低”输出（反转）来实现。步进电动机的速度控制通过控制 FPGA 控制步进脉冲的频率来实现，通过控制 FPGA周期值来控制步进电动机的频率。周期值越大，步进脉冲的频率就越低，不及电动机的速度越慢。控制器主要基于 FPGA 开发平台，FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式，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 Quartus 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。首先完成设计包括控制芯片的应用电路，然后是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。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。最