1．目的及意义
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。
对于合理运用步进电机则需要一种良好的给步进电机发出均匀脉冲信号的电子产品，这就是步进电机控制器。它发出的信号进入步进电机驱动器后，会由驱动器转换成步进电机所需要的强电流信号，带动步进电机运转。步进电机控制器能够准确的控制步进电机转过每一个角度。驱动器所接收的是脉冲信号，每收到一个脉冲，驱动器会给电机一个脉冲使电机转过一个固定的角度，就因为这个特点，步进电机才会被广泛的应用到现在的各个行业里。
步进电机控制器可以分为三类：（1）单片机或微机处理器控制器、（2）专用芯片控制器或其分支可编程逻辑芯片控制器、（3）DSP或FPGA工控机。在这三类中，专用芯片控制器是用专用集成电路芯片制作，是一种为专门目的而设计的集成电路，具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点，但如果芯片需求量不大，成本就会很高，这时就需要用到可编程逻辑芯片(Programmable Logic Device， PLD)，一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要，这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作ASIC芯片了，有着良好的实用价值。根据三种控制器的特点不同，其应用领域也各有不同。工控机主要用于机器人、半导体等领域；专用控制器主要用于机床、纺织、机器人等领域；单片机主要用于纺织、包装机械等领域。近年来随着我国机器人、半导体行业的大力扩产，其占比正快速提高。
目前，国外对步进电机的控制的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小了使用体积，明显提高了整机的性能。比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完 成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。例如日本的PPMC101B便是这种芯片.采用这类专用集成电路，可驱动3到5相电路。可选择励磁方式，转速精确。设定的转速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式等功能。另一类芯片的核心是实现细分技术，例如日本东 芝公司的TA774H二相步进电机细分控制芯片，其内部集成了PWM斩波控制和函数型双极驱动电路细分控制功能。目前由于集成芯片受到耐压、电流容量的限制，一般只能用于小功率步进电机的驱动。
从目前来看, 步进电机在工业生产中的应用十分广泛, 而简易容易改写所需求条件的由可编程逻辑芯片制作的步进电机控制器显得尤为优势，故而此次就对基于CPLD的步进电机控制器设计进行研究。
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2. 研究的基本内容与方案

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本文使用CPLD可编程逻辑芯片进行设计步进电机控制器，研究工作主要包括三个方面。一是研究控制器总体结构设计及相应的改进工作；二是研究步进电机运行时所需运动轨迹及其脉冲，分析其算法，对CPLD进行编写并满足条件；三是对步进电机控制器进行仿真，并作出实物实现。围绕以上三方面，本文的具体研究内容如下：

（1）对现有的步进电机控制器进行归纳总结，重点研究基于可编程逻辑芯片即CPLD进行设计步进电机控制器，通过分析对比现有研究成果，提出存在的主要问题以及下一步研究工作。

（2）控制器总体结构设计：8051单片机能够通过数据总线的方式与CPLD的输入输出接口进行连接, 其中有8条数据线以及3位地址线对寄存器进行访问, 选择的信号线CS可以利用单片机的形式或者根据译码电路来得到, 对PWM波形的输出模块进行设置的时候, 主要是由两个部分来构成, 即PWM输出模块以及脉冲个数模块, 如果在PWM的输出模块中使用了计数器进行设定, 那么将计数值与所占空间进行比较就能够得到最后的结果, 在起始的时候PWM输出的逻辑值是1, 计数器是从0开始进行计数的, 同时计数值所占的比例也能够看出来, 如果当PWM的波形输出为0的时候, 那么计数值就相当于频率计数值, 然后让计数器按照一定的顺序进行重新的计数, 脉冲个数模块的工作相对比较简单一些, 都是按照波形输出的下降来进行计数的, 如果计数值与设定值值是相等的情况下, 那么复位就能够让寄存器的整个模块都停止相应的工作, 在CPLD中设置了8个寄存器, 能够利用他们来对PWM频率进行控制, 例如采用8位的8051单片机作为控制器, PWM波形频率数据寄存器等都是采用高8位或者低8位的形式, 这样就能有效的控制整个模块的启动。

（3）研究步进电机运行时所需运动轨迹及其脉冲：步进电机的运动过程是从启动、加速、恒速、减速到停止的过程, 首先步进电机会按照指定的频率进行启动, 然后不断的加速到运行的频率, 这时候就可以进行恒速运行, 如果快要到达终点的时候就可以减速到启动频率之下来运行, 这样步进电机就能够实现更好更快的运行, 步进电机运动速度的快慢是可以根据脉冲变化速度进行控制的。研究电机所需运行的运动轨迹算法，使之与所发脉冲匹配。

（4）对于以上研究进行总结，先使用计算机进行仿真实现，然后制作实物进行实现，通过不同参数需求下的实验结果对比验证其准确率及实用性。

3. 参考文献

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