一、绪论
1.1 步进电机概述
步进电机的原型是起源于1830年至1960年间。起初的步进电机是以控制系统为主，主要用于电话自动交换机和缺乏交流电的船舶等独立系统。20世纪60年代后期，随着永磁材料和半导体技术的快速发展，步进电机的发展和应用领域也越来越广泛。从发展的趋势来看，步进电机已经能和直流电动机，交流电动机等并列，成为电动机的一种基本类型了。
我国是从1958年才开始研究和制造步进电机的，当时只有些许高校才用步进电机开发研制步进电机产品。60年代末，70年代初由于我国电子工业和数字控制技术的长足发展，步进电机的生产和研究才有所突破。70年代中期步进电机也迎来了高速发展。直至80年代后期，随着微处理器的在数控系统的应用，步进电机的发展有了更广阔的空间，新品种高性能的步进电机不断被研发出来[1]。
1.2 课题研究背景及意义
步进电机的发展与计算机工业息息相关。自从计算机外围设备中的小型直流电机被步进电机取代后，很快就促进了步进电动机的发展。另外，微型计算机和数字控制技术的飞速发展，也使得步进电机的应用推广到其他领域，比如电加工机床、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。
预计未来对步进电机的研究还会继续深入下去，研究电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小，性价比更高，性能更优越。在民用设备中大量使用，如：家庭机器人，民用智能化设备。当前，最具发展前景的就是混合式步进电机。其有以下四个发展方向： （1）继续走小型化的方向发展。由于电动机应用领域的拓宽和各类整机的小型化，这就要求电动机本身也越来越小。
（2）把圆形电动机改成方形电动机。因为方形电动机的力矩要比圆形的高30%--40%。 （3）对电动机进行整体设计，即把转自位置的传感器/相对编码器、减速齿轮/减 机与电动机本身综合在一起设计。
（4）向三相或五相电动机方向发展。三相和五相电动机解决了目前广泛应用的二相
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和四相电动机震动和噪音较大的缺点。
步进电机的步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。步进电机控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。伴随着步进电机在发展中扮演的角色越来越重要，以及其高效，灵活和实用的特性使其发展更有前景，使得本课题研究更有意义[2]。
1.3 本课题研究主要内容
由于现代自动化技术与智能技术的飞速发展，所以步进电机的应用也变得非常广泛。
同时，近年来，随着嵌入式技术的发展，PLD（可编程逻辑器件）在速度和集成度两方面得到了飞速提升。由于它体积小、速度快、费用低、用户可对他进行读/写操作，应用领域也不断的扩大，越来越多的电子系统开始采用PLD来实现数字信号处理。由此，本文提出了用型号为EP1K10T100-3的FPGA为核心的控制方法设计四相步进电机的外围驱动电路控制系统，并利用VHDL语言编写步进电机的控制时序电路，使用四个机械式按键对步进电机进行转速、方向等的控制，实现步进电机的加减速和常速步进角度的控制，步进电机最少转动1.8度。而且系统的可移植性优越，可靠性强。在设计方法上简单易行：在FPGA步进电机的控制系统中减少了控制系统设计的工作量、大大缩短研制开发周期，和节约了开发费用，而且提高了控制系统的可靠性，具有较高的使用和推广价值[3]。
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二、方案论证
2.1 方案设计
2.1.1 单片机控制系统方案
本实验采用四相六线步进电机，四相六线步进电机比较常见，它的等效电路如图2-1所示，它有4条信号引线A、A、B、B,通过控制这4条引线上脉冲产生的时刻，即可控制步进电机的转动。单片机控制步进电机原理图如图2-2所示，通过P1.4—P1.7来控制各线圈的接通与断开。P1的4脚对应步进电机的A，P1的5脚对应A，P1的6脚对应B，P1的7脚对应B。这4条驱动线通过ULN2003与单片机的P1.0—P1.3引脚相连。
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图2-1 步进电机的控制等效电路
图2-2 步进电机与单片机连接原理图
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2.1.2 FPGA控制系统方案
如图2-3为FPGA控制步进电机原理图，图2-4为步进电机驱动原理图。因其工作电压为24V，最大电流为0.3A，因此用“ULN2003”来做为驱动。通过P1.4—P1.7来控制各线圈的接通与断开。开机时P1.4—P1.7均为高电平，如将P1.4—P1.7切换为低电平则可驱动步进电机运行，但是在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向，只要改变各线圈接通的顺序。
图2-3 FPGA控制步进电机原理图
图2-4 步进电机驱动电路原理图
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