基于FPGA 的步进电机控制器设计.doc

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  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） 1. 选题的背景和意义 选题的背景 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，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 FPGA（Field－Programmable Gate Array），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必威体育精装版发展方向，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．研究基本内容 .1 基本框架 ,后一模块用于对换算后的角度量编码输出。 2.2 研究的重点和难点 .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