1、本科毕业设计 (论文 )开题报告 电子信息 工程 基于 FPGA 的步进电机的控制 一、课题研究意义及现状 1.1 背景及意义 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，其控制方法变得多种多样。步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着微电子的快速发展基于 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，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。 步进电动机在人类的生活和生产中都起着关键的作用，并且与计算机工 业的发展密切相关；步进电机在计算机外围设备上取代了小型直流电动机，使其设
2、备的性能得到了很大的提高。同时，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。 1.2 研究现状 步进电动机即脉冲电动机，其应用发展己有约 80 年的历史。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均有应用。 目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也有巨大的发展，国内己经能够自行研制开发；虽然与发达国家相比，我国的数控技术还处在较低级别，但已经对发展起了很大的作 用。我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，所以只适合我国中小型企业使用。 在国外步进电动机早
3、已发展到了高性能的混合式结构，而我国混合式步进电机直到 90年代才逐步开始发展，近几年来混合式电机的使用也在不断增长。由于磁阻式电机的长期使用，以及两种机型并存导致了与国外步进技术的差距。在高性能、高技术含量电动机方面，如无刷直流电动机、交流伺服电动机、直线电机等差距更大。 我国 主要采用的是反应式步进电机，从控制方式上步进电机可分为开环控制系统、闭环控制系统、 半闭环控制系统三种。其中闭环控制系统和半闭环控制系统的实现价格昂贵，因此目前在步进电机伺服系统中较少采用。开环控制系统是最简单的步进电机控制系统，实现容易，价格较低，这种控制系统由于步进电机的独特性而更适合控制步进电机，也适合于我国的
4、现在步进电机的发展应用。 二、课题研究的主要内容和预期目标 本课题研究的是 基于 FPGA步进电机，实现对 步进电机的细分和 速度、方向的控制。 毕业设计的预期目标如下： 1.了解驱动芯片 ULN2003A的功能以及结构 2.实现基于 FPGA的步进电机对 细分 、速度以及方向的控制。 3.基于 FPGA的步进电机的开发可以直接在 EDA软件上仿真，不需要硬件实现。 4.通过 Quartus开发软件完成综合、布局布线以及仿真，最终实现控制器的设计。 三、 课题研究的方法及措施 本系统硬件主要由五大模块组成：时钟分频模块、 方向 控制 模块、 细分 控制模块 、 速度控制模块 和驱动电路 。 F
5、PGA（ Quartus ） 图 1 步进电机 FPGA 控制系统框图 3.1 速度控制模块 步进电机每接收一组脉冲数字信号 ,便旋转一个步进角 ,因此通过控制脉冲的频率可以控制步进电机的转速。根据不同的转速要求，对时钟信号进行不同分频，分 频后的信号产生控制脉冲，就可以实现对电机的转速控制。调速模块的功能是利用接收来的控制字进行累加送出驱动步进电机的驱动脉冲。 3.2 细分控制模块 细分是指步进电机通过细分驱动器的驱动（以为 10 细为例，细分后的步距角为电机固有步距角的十分之一），使其步距角变小。细分功能是由精度控制相电流实现的，因此称为电流波形控制技术。同时，细分驱动技术具有能够减弱声、
6、消除了低频振荡，提高了电机的输出转矩和分辨率等优点。 3.3 方向控制模块 方向控制模块的功能是设定步进电机的旋转方向 (顺或逆时针转动 )。脉冲分配电路有两个输 入信号，一个是 PWM 信号构成的变频时钟， PWM 功能产生变占空比信号；另一个是方向控制信号，它的不同状态将使脉冲分配器产生不同方向的步进时序脉冲来控制步进电机的转动方向，使电机能够正转和反转。 3.4 ULN2003A ULN2003是大电流驱动阵列 ,用于单片机、智能仪表、 PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列 ,由七个硅 NPN达林顿管组成。该电路的特点如下
7、:ULN2003的每一对达林顿都串联一个 2.7K的基极电阻 ,在 5V的工作电压下它能与 TTL和CMOS电路 直接相连 ,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，电流可达 500mA,并能承受 50V 的电压。 四、 课题研究进度计划 2011 年 07 月至 2011/29012 第二学期第 1 周：毕业设计选题； 2011 年 08 月 28 日至 2011 年 09 月 24 日： 查找英文原文资料，翻译英文资料； 2011 年 09 月 25 日至 2011 年 10 月 29 日： 查阅资料；撰写文献以及开题报告； 2011 年 10 月 3
8、0 日至 2011 年 11 月 05 日： 制作 PPT，准备开题答辩； 2011 年 11 月 06 日至 2011 年 11 月 12 日： 系统硬件设计， 完成电路的硬件制作； 2011 年 11 月 13 日至 2011 年 11 月 19 日： 系统软件设计； 2011 年 11 月 20 日至 2011 年 11 月 26 日： 软件与硬件的调试；完成整个实物功能； 2011 年 11 月 27 日至 2011 年 03 月 31 日： 正式撰写论文 2012 年 04 月 01 日至 2012 年 04 月 10 日： 完成论文 ；准备答辩。 2012 年 04 月： 开始答辩
9、。 五、 参考文献 1 杨树兴 .基于 FPGA 技术的步进电机控制的设计 J.中国科技信息 ,2010,08,31（ 8）：116 124. 2 余炳雄 ,陈志玲 ,黎浩 .二相步进电机驱动电路的设计 J.华电科技 ,2009,01,31（ 1）：28 33. 3 赵小强 .基于 FPGA 的步进电机定位控制系统的设计 J.现代电子技术 ,2007， 9（ 10）：55 57. 4 张营 .基于 FPGA 的步进电机定位控制系统设计 J.济宁学院学报 ,2010,12,31（ 6）： 2426. 5 潘松 ,黄继业 .EDA 技术实用教程（第二版） M.北京：科学出版社 ,2005,2： 3
10、02 306. 6 黄露 ,杨秀增 .基于 FPGA 的两相步进电机控制器设计 J.广西民族师范学院学报 ,2010,10,27（ 5）： 43 45. 7 Stephan Roche.Implement a stepper-motor driver in a CPLDJ.EDN,2007,02,15,52（ 4）： 90 92. 8 梅阳凤 ,李军 .基于单片机和 CPLD 的多轴步进电机控制系统设计 J.电脑开发与应用 ,2011,02,24（ 2）： 55 57. 9 玉立红 ,赵越岭 ,杨忠文 ,王利国 .基于 PLC 的步进电机转速控制研究方法 J.辽宁工业大学学报（自然科学版） ,2010,08,30（ 4）： 215 217. 10 何平 ,李岳 ,徐小军 .基于 DSP 的步进电机高精度变速控制研究 J.自动测量与控制 ,2007,26（ 11）： 86 89.
