基于FPGA步进电机细分驱动控制

毕 业 设 计 [论 文]

题目：基于FPGA步进电机细分驱动控制

系 别：电气与电子工程系 专 业：电气工程及其自动化 姓 名：李 鹤 学 号：1214040322 指导教师：赵红梅

平顶山工学院

2008年 05 月 31 日

平顶山工学院毕业设计论文

目录

摘要 .................................................................. 5 ABSTRACT .............................................................. 6 第1章 绪 论 .......................................................... 7 1.1 引言 .............................................................. 7 1.2步进电机的特点及应用 ............................................... 7 1.3课题研究的目的和意义 ............................................... 9 第二章 步进电机的结构和细分驱动原理 ................................... 10 2.1步进电机的结构 .................................................... 10 2.2步进电机的分类 .................................................... 10 2.2.1永磁式步进电机 ................................................ 11 2.2.2反应式步进电机 ................................................ 12 2.2.3混合式步进电机 ................................................ 13 2.3步进电机驱动技术概述 .............................................. 14 2.4步进电机细分驱动的研究现状 ........................................ 16 2.5步进电机细分驱动原理 .............................................. 17 2.6测试原理 .......................................................... 19 2.7目前可以实现的方法及比较 .......................................... 20 2.8本文主要工作 ...................................................... 22 2.9本章小结 .......................................................... 23 第三章 FPGA以及VHDL语言 .............................................. 24 3.1 可编程逻辑器件的发展概况 ......................................... 24 3.2现场可编程门阵列FPGA结构 ......................................... 26 3.3现场集成的编程方式 ................................................ 27 3.4 VHDL语言 ......................................................... 28 3.4.1 VHDL语言的编写 ............................................... 28 3.4.2 VHDL程序的顺序问题 ........................................... 29

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3.4.3 VHDL编程中的问题 ............................................. 30 3.4.4 VHDL语言的组成以及编程的基础 ................................. 31 3.5本章小结 .......................................................... 32 第四章 步进电机细分驱动系统的硬件设计 .................................. 33 4.1 驱动系统的组成 ................................................... 33 4.2驱动系统的总体方案设计 ............................................ 34 4.3各子模块电路的设计 ................................................ 35 4.3.1主回路及驱动电路的设计 ........................................ 35 4.3.2电流测量电路设计以及反馈电路的设计 ............................ 37 4.3.3主控制芯片和周边电路的设计 .................................... 37 4.3.4 主回路及驱动功放电路的设计.................................... 40 4.3.5光电隔离接口及电源设计 ........................................ 41 4.3.6 保护电路的设计................................................ 42 4.4本章小结 .......................................................... 43 第五章 步进电机细分驱动系统的软件设计 .................................. 44 5.1系统软件的实现 .................................................... 44 5.2系统软件总体设计 .................................................. 46 5.3控制部分 .......................................................... 47 5.3.1频率产生模块 .................................................. 48 5.3.2总输出脉冲数控制模块 .......................................... 49 5.3.3每秒输出的脉冲个数寄存器更新模块 .............................. 51 5.4脉冲发生电路软件的设计 ............................................ 53 5.4.1 16bit计数器模块的设计 ........................................ 54 5.4.2 脉冲叠加模块.................................................. 55 5.5 PWM波形的产生 .................................................... 56 5.6积分分离式PI控制算法 ............................................. 57 5.7本章小结 .......................................................... 58 第六章 仿真结果和实验结果及分析 ........................................ 59

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6.1 模块仿真 ......................................................... 59 6.1.1频率产生模块 .................................................. 59 6.1.2脉冲管理模块 .................................................. 59 6.1.3 PWM 发生器模块仿真............................................ 60 6.1.4 PI 调节模块仿真.............................................. 61 6.2本章小结 .......................................................... 61 结论 ................................................................... 63 参考文献 ............................................................... 64 致谢 ................................................................... 67

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摘要

步进电机驱动系统具有开环控制精度高，成本低，控制简单的优点，应用十分广泛，但它也有低频共振等缺点。本文设计了一种基于FPGA的正弦波可变细分步进电机驱动系统，可有效地解决这个问题。

该驱动系统可实现对步进电机的全数字化控制，采用FPGA芯片实现对步进电机驱动控制，并通过串口与上位机进行通讯，以实现在线参数调节及简单的电机位置控制、加减速控制功能；采用线性电流传感器IR2175实现对反馈电流的测量；采用智能功率模块IRAMX16UP60A实现对电机的驱动。这种硬件结构使该驱动系统具有体积较小，抗干扰能力较强，驱动能力较强，成本较低的优点。

设计过程中采用自顶向下的模块化设计方法，用VHDL语言对电路进行描述，并用EDA工具进行了综合和仿真。优化设计了电流测量模块和PWM模块等关键性模块，使这两个模块在最高工作频率为150MHZ的FPGA芯片中达到了超过170MHz的性能，提高了芯片的对输入输出信号的控制能力。结合可编程状态机和普通状态机的部分优点，设计实现了一种可实现复杂逻辑功能的控制单元。该控制单元消耗资源很小，在采用流水线技术后，其指令可单周期执行，并且工作频率可达100MHZ 。本文还专门介绍了SPARTANIII芯片所提供的几种元件的使用方法。

经测试表明，该驱动系统具有调试方便，抗干扰能力较强，驱动能力较强的优点。 关键词 ：步进电机；FPGA；可变细分；正弦脉宽调制；驱动

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