步進(jìn)電動機(jī)控制畢業(yè)設(shè)計開題報告

1、KC017-1僅供個人參考同學(xué)們：這只是一個開題報告例子，正確的格式要按照學(xué)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(biāo)出的部分必須有。屆畢業(yè)設(shè)計開題報告題目基于 CPLD 的步進(jìn)電動機(jī)控制器設(shè)計專業(yè)電子信息工程姓名班級指導(dǎo)教師肖閩進(jìn)起止日期年月日不得用于商業(yè)用途僅供個人參考畢業(yè)設(shè)計開題報告（含課題的來源及現(xiàn)狀、設(shè)計要求、工作內(nèi)容、設(shè)計方案、技術(shù)路線、預(yù)期目標(biāo)、時間安排及參考文獻(xiàn)等內(nèi)容，字?jǐn)?shù)為 5001000 字。）一、課題的來源及現(xiàn)狀近些年來，由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。 CPLD器

2、件由于開發(fā)方式靈活、功能擴(kuò)展方便、集成度較高，在各類的設(shè)計中占據(jù)了越來越重要的地位。本課題敘述了基于 CPLD的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制, 并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或。線位移的控制驅(qū)動裝置。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(yán)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(jī)的轉(zhuǎn)速。由于步進(jìn)電機(jī)具有精度高、控制靈活、定位準(zhǔn)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(yīng)用在計量測試儀器中。步進(jìn)電機(jī)通?？煞?/p>

3、為三種類型 : 反應(yīng)式 (VR) 、永磁式 (PM)和混合式 ( 同步感應(yīng)子式 HB)。在步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的計算機(jī)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(kuò)展的并行接口芯片或 GAL芯片來實現(xiàn)。 這種方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)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(gòu)復(fù)雜 , 占用 CPU的時間過多 , 可靠性不高。本文提出的采用 CPLD/EPLD作細(xì)分編碼器，充分利用了CPLD/EPLD強(qiáng)大的實時、并發(fā)處理能力。與傳統(tǒng)采用單片機(jī)、DAC、專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片相比，系統(tǒng)構(gòu)成更為簡單、成本更低。 CPLD是繼

4、 PAL、GAL等邏輯器件之后出現(xiàn)的一種新型的復(fù)雜可編程邏輯器件同以往的 PAL、GAL等邏輯器件相比較， CPLD的規(guī)模大，適舍于時序電路、組合電路等應(yīng)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CPLD芯片可反復(fù)的編程、擦除、使用，在外圍電路不動的情況下用不同的EPROM就可實現(xiàn)不同的功能。步進(jìn)電機(jī)主要優(yōu)點是響應(yīng)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)不得用于商業(yè)用途僅供個人參考的正常穩(wěn)定運行。目前步進(jìn)電機(jī)的控制電路實現(xiàn)方法較多，普遍認(rèn)為最有效的解決方法是細(xì)分法。 目前常用的細(xì)分方法是采用單片機(jī)實現(xiàn)或?qū)⒓?xì)分

5、參數(shù)存在EEPROM等存儲器通過邏輯電路實現(xiàn)細(xì)分輸出，恒流控制用DAC與用專用 PWM芯片共同實現(xiàn)。隨著電子技術(shù)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(shè)計系統(tǒng)工程的諸多不便，目前已有將CPLD/EPLD用于步進(jìn)電機(jī)細(xì)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 m、 0.13 m已經(jīng)走向成熟 , 專用集成電路 ASIC的設(shè)計成本在不斷降低。CPLD/FPGA是實現(xiàn) ASIC的主流器件。 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/

6、O引腳多、規(guī)模大、支持重復(fù)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(jìn)電機(jī), 或提供多相步進(jìn)電機(jī)的運行脈沖等等。這種基于 CPLD的設(shè)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(shè)計的發(fā)展方向。同時， EDA(ElectronicDesignAutomation) 技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用。 EDA 技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)設(shè)計時多采用原理圖輸入的設(shè)計模式 , 而是采用 HDL(HardwareDescriptionLanguage) 作為設(shè)計輸入。 設(shè)計得可以自己定

7、義器件的內(nèi)部邏輯和管腳 , 將原來由電路板設(shè)計完成的大部分工作放在芯片的設(shè)計中。這大大縮短了系統(tǒng)的設(shè)計周期 , 提高了產(chǎn)品的設(shè)計及開發(fā)效率。硬件描述語言 HDL是用于硬件構(gòu)造型結(jié)構(gòu)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 Cadence公司收購 ) 開發(fā) , 于1995年實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 (IEEE-1364) 。VerilogHDL 的語法類似于 C語言 , 描述風(fēng)格簡潔明了 , 高效便捷。其跟 EDA工具的結(jié)合非常密切 , 適合于 RTL級尤其是門級電路的描述 ,

8、 易于控制電路的資源。在近期內(nèi) , 微處理器與 CPLD/FPGA仍有很強(qiáng)的互補(bǔ)性 , 但從長遠(yuǎn)來看 , 在大部分的電子設(shè)計領(lǐng)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中 片上系統(tǒng)已成為電子設(shè)計的趨勢 目前廣泛應(yīng)用的基于微處理器的步進(jìn)電機(jī)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(fù)位慢 , 且不不得用于商業(yè)用途僅供個人參考可靠 , 程序易 c跑飛 d等致命弱點。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動電源是互相聯(lián)系的整體。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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

9、關(guān)系加到脈沖放大器上 , 使步進(jìn)電機(jī)按確定的運行方式工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源框圖在步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的計算機(jī)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(kuò)展的并行接口芯片或 GAL芯片來實現(xiàn)。 這種方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)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(gòu)復(fù)雜 , 占用 CPU的時間過多 , 可靠性不高。二、設(shè)計要求步進(jìn)電動機(jī)的定位控制三、設(shè)計方案與技術(shù)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

10、頻器分頻后的系統(tǒng)時鐘改變?yōu)椴煌?PWM信號，將此信號作為方向控制模塊的變頻時鐘，可達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)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(jìn)時序脈不得用于商業(yè)用途僅供個人參考沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)是順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動。以CPLD為核心邏輯控制器件的兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)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(shè)置 ( 補(bǔ)償 ) 電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、檢測保護(hù)電路等。其工作過程如下。從控制器輸入的脈沖、細(xì)分?jǐn)?shù)選擇、勵磁OFF、方向等信號經(jīng)過前向通道后送給以 CPLD為核心的邏輯控制電

11、路，這里，信號經(jīng)過判斷處理，輸出相應(yīng)的細(xì)分控制數(shù)據(jù)至 DA轉(zhuǎn)換器， DA轉(zhuǎn)換器根據(jù)電流設(shè)定值和補(bǔ)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PWM波形發(fā)生器。使之產(chǎn)生脈寬調(diào)制波 PWM波通過驅(qū)動電路后，加在步進(jìn)電動機(jī)的繞組上控制其電流。從而驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)運行。利用變頻調(diào)速的原理，步進(jìn)電機(jī)的速度與每步所用的時間有關(guān)。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(jìn)的速度。采用多模式積分分頻電路即可獲得 PWM信號。常用的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)采用單三拍 ABCA; 雙三拍 ABBC CAAB 或單、雙六拍 AAB B BC

12、CCA A等運行方式 ( 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(jìn)行設(shè)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(guān)系描述采用了狀態(tài)機(jī)方式 , 以使其各個工作狀態(tài)間的相互關(guān)系更加清楚 , 一目了然。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(dāng)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

13、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。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考三相六拍正轉(zhuǎn)三相六拍反轉(zhuǎn)三相六拍驅(qū)動模式真值表這次所設(shè)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(jìn)行分頻 , 使進(jìn)步電機(jī)的調(diào)速范圍非常寬廣 , 無需頻繁中斷 , 且占用 CPU的時間很少。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)合成磁場的幅值及兩相鄰合成磁場夾角決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小及步距角的大小。通過對步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組中電流加以控制，使步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)恒力矩及步距角均

14、勻細(xì)分控制。因此，要實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒力矩細(xì)分控制必須通過合理控制步進(jìn)電機(jī)內(nèi)各項繞組中的勵磁電流。對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)均勻細(xì)分比較簡便可行的方法是采用如圖所示波形的繞組電流。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形細(xì)分驅(qū)動電路主要由細(xì)分、恒流控制、功率放大三部分組成。目前一般的做法多采用單片機(jī)和專用 PWM驅(qū)動芯片、 DAC等構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)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 CPLD可以很好地解決此類問題。將細(xì)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(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖不得用于商業(yè)用途僅供個人參考

15、步進(jìn)電機(jī)控制器的端口功能圖細(xì)分模塊由遠(yuǎn)控信號解碼編碼功能模塊、細(xì)分狀態(tài)控制器、細(xì)分表三部分組成。下圖為細(xì)分模塊構(gòu)成原理簡圖。細(xì)分模塊原理圖圖中， PULSE/DIR為脈沖 / 方向信號， CW/CCW為正向 / 反向控制信號， UP/DOWN為正向/ 反向控制信號 IPA,P BIPC為三相繞組電流的節(jié)拍計數(shù)， DA,DB,Dc為三相繞組輸出電流設(shè)定值， AVHSTB,B VHSTB,C VHSTB為高壓輸出控制信號， RST為復(fù)位反饋信號，/IFB 為反饋信號。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考1遠(yuǎn)控信號編碼該功能模塊可支持 PULSE/DIR(脈沖 / 方向 ) 模式與 CW/CCW(正向 /

16、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/DOWN模式，即CW/CCW模式。脈沖 / 方向信號波形表2. 細(xì)分狀態(tài)控制器及細(xì)分表對于實現(xiàn) m細(xì)分的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，一個電角度周期可細(xì)分為 6m 節(jié)拍。根據(jù)UP/DOWN信號增減節(jié)拍位置，若 A相的節(jié)拍位置為 PA，則根據(jù) B相滯后 A相,C相超前 A 相，可計算出 B的節(jié)拍位置 PB,C相節(jié)拍位置 PC。計算出 A相各節(jié)拍參考電流參量存入細(xì)分表中， DA,DB,DC分別為節(jié)拍位置 PA、 PB,PC所對應(yīng)的電流參量。AVHSTB,BVHSTB,CVHSTB為高壓驅(qū)動回路驅(qū)動選通信號。電機(jī)電樞驅(qū)動電路

17、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恒流控制器不得用于商業(yè)用途僅供個人參考電流跟蹤控制的思路比較簡單，即當(dāng)前周期的控制信號總是要使當(dāng)前電流趨向參考電流。如果當(dāng)前周期的參考電流與采樣電流的偏差小于零，則立即關(guān)斷相應(yīng)相主開關(guān)，反之，則立即開通相應(yīng)相主開關(guān)，故又叫Bang一Bang控制。電流跟蹤控制與常

18、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(dāng)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(zhǔn)確地實現(xiàn)電流目標(biāo)值，斬波頻率更高，有利于電機(jī)的高效與低噪。開關(guān)周期應(yīng)遠(yuǎn)小于電機(jī)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(yīng)于三相電流的變換電壓 VA,VB,VC。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(guān)周期驅(qū)動電路通斷。4. 步進(jìn)電機(jī)方向控制模塊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PWM信號構(gòu)成的變頻時鐘，每輸入一個 PWM脈沖，脈沖分配

19、器的四相輸出時序?qū)l(fā)生一次變化，從而使步進(jìn)電機(jī)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(jìn)時序脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。本系統(tǒng)中采用了Mealy 型狀態(tài)機(jī)描述方法。若按照 S0，S1， S2，S3狀態(tài)循環(huán)輸出，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若按照S3， S2，S1，S0狀態(tài)循環(huán)輸出，則步進(jìn)電機(jī)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(dāng)狀態(tài)編碼采用S0 = 0010 ；S1= 0100 ；S2 = 1000 ；S3= 0001 時可實現(xiàn)一相激勵；當(dāng)狀態(tài)增加為8個并采用一相和二相

20、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(biāo)軸處direction上升沿脈沖的左側(cè) STEP信號按順序是“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)用途僅供個人參考方向控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖本設(shè)計采用 Altera 公司的 MAXPlus+進(jìn)行設(shè)計，并用 MAX7000S系列的器件實現(xiàn)， 利用 CPLD器件實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)控制中將發(fā)揮其獨特的優(yōu)越性。四、預(yù)期目標(biāo)步進(jìn)電動機(jī)定位控制五、工作內(nèi)容1FPGA/CPLD原理研究2VHDL語言設(shè)

21、計3步進(jìn)電動機(jī)原理與應(yīng)用4系統(tǒng)設(shè)計與編程5調(diào)試，仿真系統(tǒng)功能實現(xiàn)。六、時間安排第 1 周： 收集資料第 2-6 周：課題研究，方案設(shè)計第 7-12 周：硬件軟件設(shè)計，調(diào)試不得用于商業(yè)用途僅供個人參考第 12-15 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，答辯七、參考文獻(xiàn)1.CPLD/FPGA在電子設(shè)計中的應(yīng)用前景電子技術(shù)應(yīng)用2.機(jī)電控制浙江大學(xué)出版社3.EDA實用教程科學(xué)出版社4.單片微機(jī)測控技術(shù)大全北京航空航天大學(xué)出版社5.VHDL語言設(shè)計電子工業(yè)出版社6.步進(jìn)電動機(jī) _及其驅(qū)動控制系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版杜7.控制電機(jī)西安電子科技大學(xué)出版社8.步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門同濟(jì)大學(xué)出版社，9.步進(jìn)電機(jī)的運動控制系統(tǒng)及其應(yīng)用微特電機(jī)10.VHDL 硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計西安電子科技大學(xué)出版社11.微型計算機(jī)原理與應(yīng)用武漢華中理工大學(xué)出版社12.編程邏輯系統(tǒng)的 VHDL沒計技術(shù)南京東南大學(xué)出版社13.CPLD系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)入門與應(yīng)用電子工業(yè)出版社14.用VHDL設(shè)計電子線路清華大學(xué)出版社15.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與 PLD應(yīng)用技術(shù)電子工業(yè)出版社1