基于FPGA的步进电机细分控制电路设计

发布时间：2017-08-23 16:22

  本文关键词：基于FPGA的步进电机细分控制电路设计

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【摘要】：步进电机其实就是一种角度跟踪元件。步进电机有它本身固有的特点,成本低,结构简单,又可靠,同时它又是开环系统,正是这些优点,它的应用非常广。可是步进电机,它本身又存在着很多的缺点,比如:分辨率很低、在低频时发生振荡,在高频时又存在失步等,所以在一些系统要求精度高、稳定性要求也高的应用中,限制了其使用范围。在当前,步进电机控制的主要领域,是传统控制方法通过采用处理器实现的,如DSP或单片机来实现。51单片机对于较简单的控制算法比较适用。对于电路复杂,难度大的控制算法,以及非常不安全的作业场所,如在高速控制的场合,单片机就明显不适合。如果多个步进电机的控制是由单片机控制的,那么则必需多个单片机,即采用多个处理器的方式,而各处理器的分散使得多个电机的同步比较困难。同时使用了多个单片机,使体积增大,系统的集成度、可靠性降低。发生故障的几率将大大增强,并给排查故障和维护故障带来很大的不便,同时多处理器控制方式,在一些高精度设备中,将无法满足实时性的要求。本文介绍了基于FPGA的步进电机细分控制电路的设计,介绍了四象步进电机的工作原理、EDA的相关技术、步进电机细分驱动技术,最后用HDL语言设计了步进电机的细分驱动电路。以正弦波作为细分参考电流波形的混合步进电机细分电路,设计并实现了一种SPWM细分驱动技术,这种驱动方式可以更有效控制电机绕组电流波形,大大实现步进电机的均匀步距角细分,并提高它的分辨率。最后对各个功能模块进行了设计和仿真,利用FPGA的开发板进行测试,细分之后步进电机能精确平稳地转动,达到了预期的设计目的。与此同时采用FPGA设计,从而简化了外围硬件电路,还缩短了步进电机的设计周期,不要外接D/A转换器,提高了抗干扰性能,因此应用价值是很高的。
【关键词】：步进电机 细分驱动 FPGA
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM383.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-11
• 1.1 课题研究背景8-9
• 1.2 课题研究意义9-10
• 1.3 步进电机细分驱动技术在国内外研究的基本现状10-11
• 1.4 论文主要工作11
• 2 步进电机以及细分驱动技术11-18
• 2.0 步进电机的概述11-12
• 2.1 步进电机的工作原理12
• 2.2 步进电机的励磁方式12-14
• 2.2.1 一相励磁12-13
• 2.2.2 二相励磁13
• 2.2.3 一-二相励磁13-14
• 2.3 细分驱动原理14
• 2.4 细分驱动技术的发展14-15
• 2.5 电流矢量恒幅等角度旋转法15-16
• 2.6 步进电机PWM细分驱动电路的设计16-18
• 3 EDA技术简介18-25
• 3.1 EDA技术18
• 3.2 FPGA18-19
• 3.3 QuartusⅡ开发软件19-20
• 3.4 硬件描述语言（HDL）20-22
• 3.4.1 Verilog HDL21
• 3.4.2 VHDL21-22
• 3.5 面向FPGA的开发流程22-24
• 3.5.1 EDA技术的优势22
• 3.5.2 面向FPGA的EDA开发流程22-24
• 3.6 SignalTap Ⅱ介绍24-25
• 4 基于FPGA的步进电机SPWM细分驱动系统的设计25-43
• 4.1 细分驱动系统设计的总体思路25-27
• 4.2 细分驱动系统各模块基于FPGA的设计27-33
• 4.2.1 地址发生器模块27-29
• 4.2.2 PWM计数器模块29
• 4.2.3 ROM模块设计29-30
• 4.2.4 比较模块设计30-31
• 4.2.5 顶层模块设计31-32
• 4.2.6 仿真测试32-33
• 4.3 步进电机细分驱动器的设计与实现33-39
• 4.3.1 驱动器电路总体结构33-35
• 4.3.2 电路各部分器件介绍35-39
• 4.4 用嵌入式逻辑分析仪对硬件测试39-43
• 结论43-44
• 致谢44-45
• 参考文献45-46

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本文编号：726055