基于FPGA的步进电机细分电流控制器的设计

摘要

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具有控制性能好、无积累误差等优点，广泛应用于工业、军事和医疗自动化等领域中。两相混合式步进电动机是工业控制中广泛应用的一种电机，代表步进电机的发展趋势。电机控制器的单片集成化研究已经成为电机控制领域的一个新的发展方向，也是技术发展的必然趋势。因此，对于两相混合式步进电机驱动器的全数字化研究有着十分重要的现实意义。
　　 本文首先介绍了步进电动机系统的组成及步进电机的发展状况与趋势，分析了步进电机的不同驱动技术的驱动原理与特点，重点介绍了步进电机的细分驱动技术和获得细分电流的各种方法，并在此基础上提出脉宽调制技术来获得细分电流。
　　 本论文使用Altera公司的QUARTUS软件，以FPGA为核心器件，采用自顶向下的设计方法和模块化设计方法，设计两相混合式步进电机的细分控制器。论文用Verilog硬件描述语言对电路进行描述，使用第三方仿真软件Modelsim对各模块进行功能仿真。之后将各模块封装与布局布线，并进行时序仿真。
　　 仿真结果验证了设计方案的可行性，表明了该驱动器能够满足时序要求，能够产生步进电机的驱动脉冲。该片上系统可以大幅度降低功耗、提高抗干扰性、增加技术保密性以及减少电路板面积，具有一定的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 步进电机概述

1.2 步进电机的驱动技术

1.3 FPGA简介

1.4 国内外研究现状

1.5 研究意义

第二章 步进电机的驱动技术及PWM技术

2.1 步进电机的驱动技术

2.1.1 单电压驱动

2.1.2 高低压驱动方式

2.1.3 斩波恒流驱动

2.1.4 升频升压驱动

2.1.5 微步驱动技术

2.2 获得微步电流的几种方法

2.2.1 近似函数法

2.2.2 T～θ曲线计算法

2.2.3 实验插值法

2.2.4 自动测试法

2.3 脉宽调制技术原理及其控制方式

2.4 本章小结

第三章 FPGA介绍

3.1 基于FPGA的自顶向下的设计方法

3.2 FPGA设计流程

3.2.1 创建工程，设计输入

3.2.2 功能仿真

3.2.3 综合

3.2.4 布局布线

3.2.5 时序分析和时序仿真

3.2.6 编程与配置

3.3 本章小结

第四章 系统设计

4.1 功能设计

4.2 参数设计

4.3 模块设计

4.3.1 分频器

4.3.2 触发信号同步

4.3.3 载波发生器

4.3.4 地址发生器

4.3.5 细分电流查找表

4.3.6 乘法器

4.3.7 比较器

4.3.8 脉冲剔除

4.3.9 脉冲延时

4.4 设计输入

4.4.1 硬件描述语言介绍

4.4.2 乘法器

4.5 本章小结

第五章 仿真综合与时序分析

5.1 仿真工具及流程介绍

5.2 功能仿真

5.2.1 分频器的仿真

5.2.2 触发信号同步模块的仿真

5.2.3 载波发生器的仿真

5.2.4 A相地址发生器的仿真

5.2.5 B相地址发生器的仿真

5.2.6 窄波剔除模块的仿真

5.2.7 脉冲延时模块的仿真

5.3 模块的封装与综合

5.4 布局布线

5.5 本章小结

第六章 时序分析与时序仿真

6.1 系统时序基础理论

6.2 时序分析

6.3 时序仿真

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢