基于FPGA的步进电机细分控制电路设计

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。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 步进电机细分驱动技术在国内外研究的基本现状

1.4 论文主要工作

2 步进电机以及细分驱动技术

2.1 步进电机的概述

2.1 步进电机的工作原理

2.2 步进电机的励磁方式

2.4 细分驱动技术的发展

2.5 电流矢量恒幅等角度旋转法

2.6 步进电机 PWM 细分驱动电路的设计

3 EDA技术简介

3.1 EDA技术

3.2 FPGA

3.3 QuartusII开发软件

3.4 硬件描述语言（HDL）

3.5 面向FPGA的开发流程

3.6 SignalTap II介绍

4 基于FPGA的步进电机SPWM细分驱动系统的设计

4.1 细分驱动系统设计的总体思路

4.2细分驱动系统各模块基于 FPGA 的设计

4.3 步进电机细分驱动器的设计与实现

4.4用嵌入式逻辑分析仪对硬件测试

结论

致谢

参考文献