基于单片机和FPGA的步进电机控制系统的研究

摘要

本论文以两相混合式步进电机为研究对象，应用单片机和FPGA/CPLD技术，设计出一种全数字步进电机控制系统，通过仿真、综合和下载的各个程序测试环节，并在实验中得到了良好的应用。 本论文首先分析了混合式步进电机工作原理并推导出其数学模型，其次介绍系统的控制方案和设计思路，再次阐述FPGA的设计原理以及细分驱动的实现，最后对所要应用的硬件语言VHDL以及控制部分的仿真工具Proteus进行简要地介绍，以上文献为本研究设计部分提供了理论基础。 本论文提出了基于单片机和FPGA的步进电机控制系统的方案。利用单片机做控制核心来设定电机的转速、转向。FPGA负责细分驱动，把单片机发过来的脉冲波细化为阶梯波，实现步进电机转角的细分控制，使之更平稳的运动。控制部分的软硬件调试采用简单直观明了的仿真软件Proteus实现；细分系统采用软件硬化的设计思路，应用VHDL硬件设计语言。将单片机和FPGA的优势结合起来，各负其责，在最后的实验中取得了良好的效果。 单片机和FPGA的结合利用，是本系统设计的核心部分，单片机技术具有操作灵活、利用广泛以及价廉等特点。而FPGA具有旺盛的生命力和广阔的前景，必然推动着整个集成电路产业系统集成的进一步发展。采用FPGA，该系统无需外接D/A转换器，大大简化了系统的外围硬件电路结构，提高了系统的抗干扰性能。以单片机为控制核心，FPGA为驱动核心的系统结构简单，控制精度高，具有广泛的应用前景。

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步进电机的特征

1.3步进电机驱动系统概述

1.4国内外研究概况及发展趋势

1.5论文的主要工作和结构

1.5.1主要工作

1.5.2论文结构

第二章两相混合式步进电机

2.1两相混合式步进电机的工作原理

2.1.1两相混合式步进电机的结构

2.1.2两相混合式步进电机的电磁特性

2.2两相混合式步进电机的矢量分析

2.3两相混合式步进电机电机的数学模型

2.4本章小结

第三章系统的总体结构和设计思路

3.1总体方案设计

3.2系统控制部分的设计过程

3.2.1单片机控制电路

3.2.2 FPGA实现细分功能的设计思路

3.3硬件电路板设计注意事项和措施

3.4本章小结

第四章步进电机细分控制的实现

4.1基于FPGA的步进电机细分驱动控制的实现

4.2 FPGA系统硬件电路的设计与实现

4.3软件的设计与实现

4.3.1多重细分多步进电机驱动系统软件设计与实现

4.3.2 VHDL硬件描述语言程序结构

4.4本章小结

第五章步进电机控制部分的硬件和软件设计

5.1步进电机控制部分的硬件实现

5.2升降速控制原理

5.2.1步进电机的速度特性

5.2.2步进电机升降速数学模型的建立

5.3单片机系统的软件结构

5.4单片机控制的软件仿真

5.4.1仿真软件Proteus ISIS介绍与准备工作

5.4.2建立硬件原理图

5.5仿真结果

5.6仿真结果分析

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢

附录