步进电机控制系统与设计开题报告.doc

中 北 大 学 信 息 商 务 学 院毕业设计开题报告学 生 姓 名：李艳平学 号：07050443X08学 院、系：信息商务学院、信息与通信工程系专 业：电气工程及其自动化设计题目：步进电机控制系统设计与实现指导教师:张辉 2011 年 3 月 21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。可以通过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。 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。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。 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。（） （） （） 图1步进电机正弦细分三相绕组电流波形图图旋转力矩图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。 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。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。Verilog HDL设计综合过程可划分为下述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。.4 ModelSIM 简介Mentor公司的ModelSim是业界最优秀的HDL语言仿真软件，它能提供友好的仿真环境，是业界唯一的单内核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。它采用直接优化的编译技术、Tcl/Tk技术、和单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段，是FPGA/ASIC设计的首选仿真软件。主要特点： RTL和门级优化，本地编译结构，编译仿真速度快，跨平台跨版本仿真； 单内核VHDL和Verilog混合仿真； 源代码模版和助手，项目管理； 集成了性能分析、波形比较、代码覆盖、数据流ChaseX、Signal Spy、虚拟对象Virtual Object、Memory窗口、Assertion窗口、源码窗口显示信号值、信号条件断点等众多调试功能； C和Tcl/Tk接口，C调试； 对SystemC的直接支持，和HDL任意混合； 支持SystemVerilog的设计功能； 对系统级描述语言的最全面支持，SystemVerilog, SystemC, PSL； ASIC Sign off。ModelSim分几种不同的版本：SE、PE、LE和OEM，其中SE是最高级的版本,而集成在 Actel、Atmel、Altera、Xilinx以及Lattice等FPGA厂商设计工具中的均是其OEM版本。SE版和OEM版在功能和性能方面有较大差别，比如对于大家都关心的仿真速度问题，以Xilinx公司提供的OEM版本ModelSim XE为例，对于代码少于40000行的设计，ModelSim SE 比ModelSim XE要快10倍；对于代码超过40000行的设计，ModelSim SE要比ModelSim XE快近40倍。ModelSim SE支持PC、UNIX和LINUX混合平台；提供全面完善以及高性能的验证功能；全面支持业界广泛的标准；Mentor Graphics公司提供业界最好的技术支持与服务。本研究课题采用了XILINX公司的ISE集成开发软件。整个设计的流程是：先用ISE软件的文本编辑功能编写VHDL源程序，并进行编译和综合。编译和综合没有错误后，再在ISE中调用外挂的Modelsim 5.5XE软件进行逻辑功能仿真，确认没有错误后再进行FPGA的布局和布线，并进一步进行整个系统的时延仿真。时延仿真没有错误后，将电路转化成Bit文件下载到FPGA器件上实现其功能，再进行硬件功能验证。流程可见图3。下载到FPGA器件上进行硬件功能验证设计实现系统延时仿真逻辑功能仿真编译和综合VHDL源程序的编写 布局布线 图3 设计流程参考文献：1白中和. 步进电机控制电路设计，建兴出版社，19992许实章. 电机学.机械工业出版社，19503朱明程. FPGA原理及应用设计，电子工业出版社，19944孙富明,李笑盈.基于多种EDA工具的FPGA设计，电子技术应用，2002年第1期5刘宝廷，程树康. 步进电动机及其驱动控制系统.哈尔宾工业大学出版社，19976王玉琳，王强. 步进电机的速度调节方法.电机与控制应用，2006年第1 期7王毅平,张振荣. VHDL编程与仿真，人民邮电出版社，20008朱明程,孙普译. 可编程逻辑系统的VHDL设计技术，东南大学出版社，19989孟宪元. 可编程ASIC集成数字系统，电子工业出版社，199810谭会生，张昌凡. EDA技术及应用，西安电子科技大学出版社，200111朱明程. XILINX数字系统现场集成技术，东南大学出版社，200112边计年,薛宏熙译.VHDL设计电子线路，清华大学出版社，200013T.C.Fogarty,J.F.Miller,and P.Thomson.Evolving Digital Logic Circuits in Xilinx 6000 Family FPGAs.In Soft Computing in Engineering Design and Manufacturing,pp299-305.Springer,199814Xilinx Databook:XC4000E and XC4000X Series Field Programmable Gate Arrays Product Specification,1.4 edition,199715Xilinx XC6200 Field Programmable Gate Arrays Product Specification,1.10 edition,1997.16王小军. VHDL简明教程，清华大学出版社，199717许建,沈桂明.FPGA和EPLD应用领域的研究，电子技术应用，199518段颖妮，吕虹.基于FPGA的仪表用步进电机控制器设计.电测与仪表，2006年1期19谭会生，张昌凡. EDA技术及应用.西安电子科技大学出版社，200120沈树群,张艳. 基于FPGA语言的实用FPGA设计,科学出版社,200421王金明. Verilog HDL程序设计.人民邮电出版社，200422杨吉斌. 数字系统设计与Verilog HDL.电子工业出版社，200223贾敏忠，詹友基.windows平台上步进电机速度控制.福建工程学院学报，2005年6 期 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 本课题的研究问题本课题的研究目的在于学习FPGA的原理与结构，熟悉FPGA开发的基本流程和基本原则。学习Verilog语言及其编程方法，学习软件开发平台Xilinx ISE及仿真工具Modelsim的使用。学习步进电机工作原理，用Verilog编程使驱动逻辑功能模块和控制器模块在FPGA芯片上实现，并进行综合与仿真。因此，如何采用VHDL方式，用FPGA来设计和实现步进电机的驱动逻辑模块和控制器模块，以构成步进电机测试用的信号发生器，为本课题所研究的主要问题。2 本课题的研究方案2.1 步进电机的驱动控制实现步进电机作为一种电脉冲一角位移的转换元件，它受脉冲信号控制，其位移与输入脉冲个数成严格正比的关系，它包括脉冲分配器和功率放大器两部分，如图4所示：控制装置脉冲分配器功率放大器电机方向信号脉冲信号图4 步进电机结构框图步进电机的细分控制本质上是对步进电机励磁绕组中的电流进行控制，在普通驱动方式下，驱动电路只是通过对电动机绕组激磁电流的“开”和“关”，使步进电动机转子以其本身的步距角分步旋转。步进电动机靠定子、转子磁极间的电磁力来进行工作，当它处于“双拍”状态工作时，其定位位置是正好位于两通电磁极的中间， 即依靠两通电磁极电磁吸引力的平衡而获得的。由此可以推论 : 如果能够进一步仔细地控制两磁极电磁吸引力的大小，使转子磁极获得更多种由于两相定子磁极的电磁吸引力差异而形成的平衡定位位置。步进电机细分驱动方式就是应用了这一原理，在细分驱动时，细分控制器通过控制各相激磁绕组电流的逐步增大及逐步减小，让转子处于多个磁力平衡状态使电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，实现步距角变小、电动机的旋转得到细化的目的。细分驱动方式下，由于步距角小，步进电机的控制精度明显提高，同时这种驱动方式又有效抑制低速运行中产生的噪声和振荡现象。采用FPGA控制步进电机，利用其中的EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表和利用FPGA设计的数字比较器可以同步产生多路PWM电流波形，对多相步进电机进行灵活的控制。当改变控制波形表的数据、增加计数器的位数，提高技术精度，从而可以对步进电机的步进转角进行任意细分，实现步进转角的精确控制。用FPGA实现多路PWM控制，无须外接D/A转换器，使外围控制电路大大简化，控制方式简洁，控制精度高、控制效果好。用单片机和DSP的控制都难以达到同样的控制效果。脉宽调制式(PWM)细分驱动电路是把D/A输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于20kHz，因此，虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高，工作频率稳定，它的作用是将给定的电压信号调值制成接近连续的信号，角速度的波动也随着细分数的增大而减小，一般角速度波动与步距角成正比，与细分数成反比。因此，在此研究中，我们选用脉宽调制式细分驱动电路。2.2 步进电机脉冲信号控制系统的实现本研究课题的目标是以VHDL为设计手段，以FPGA为目标载体，实现对步进电机的控制，总体的控制要求是步进电机的控制系统-脉冲信号发生器的输出脉冲能完成定速、加速、减速，且速率和加减速度都能做到连续可调。