步进电机细分电流控制系统的FPGA电路板设计

摘要

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，具有成本低、驱动电路简单的优点。随着高速微处理器和功率电子器件性能的不断提高，电机控制的技术越来越趋向于数字化和高频化。因此，对于两相混合式步进电机的高频控制系统的研究有着重要的现实意义。而目前大多数的步进电动机采用单片机以及DSP（Digital signal processor）控制，其在高速运作时难以实现复杂的实时运算。
　　 论文针对步进电动机的细分电流的控制，采用了PWM斩波的方法设计了一个高速FPGA控制电路系统。在课题的前一阶段，课题组已经完成了FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片的基本设计，包括使用Verilog HDL语言进行FPGA的设计输入，各个模块的编程，以及FPGA的仿真和综合。本文主要在FPGA芯片设计基本完成的这个基础上，进行系统级的设计即以FPGA芯片为核心的高速电路板的设计。
　　 系统采用ALTERA公司的StratixⅡ系列的FPGA芯片，时钟频率高达200MHZ。通过特殊的布局、布线、匹配、屏蔽等处理，解决电路在高速时的信号完整性、抗干扰、电磁辐射（EMI）和电磁兼容（EMC）等问题。论文主要设计了FPGA控制电路的电源供电，滤波，下载与配置，输入与输出（IO）等各个模块的电路。介绍了采用了FBGA（Fine-Pitch Ball Grid Array）封装的密集引脚芯片的电路设计要点，以及StratixⅡ的供电、管脚连接和配置方法。为了更好的利用FPGA芯片的资源，加入了FPGA芯片中时钟锁相环（PLL）模块的设计以及StratixⅡ的管脚的编程。通过对FPGA进行编程与下载配置到实际的FPGA的芯片中，并进行调试。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究的目的与意义

1.1.1 步进电动机的振荡

1.1.2 细分驱动方法

1.2 研究方法

1.2.1 PWM直流斩波

1.2.2 系统的功能设计

1.3 本文的主要工作

第2章 FPGA控制电路板的电路设计

2.1 Stratix Ⅱ系列FPGA芯片的介绍

2.2 供电电源电路的设计

2.2.1 IO供电电源电路的设计

2.2.2 内核供电的电源电路的设计

2.2.3 电源和地引脚的接线

2.3 滤波电路的设计

2.4 时钟输入

2.5 下载与配置电路

2.5.1 主动配置模式

2.5.2 被动配置模式

2.5.3 JTAG配置模式

2.6 IO接口电路

2.7 其它部分电路

2.8 本章小结

第3章 PCB板的设计

3.1 PCB设计的预处理

3.2 电路板的规划

3.2.1 高速电路板的简介

3.2.2 数字电路的抗干扰设计

3.2.3 多层电路板

3.2.4 电源层和地层的设计

3.2.5 元件的布局

3.3 绘制各元件的焊盘与封装

3.3.1 焊盘设计的基础原理

3.3.2 各元件的PCB封装设计

3.4 过孔的设计

3.5 信号的完整性

3.5.1 传输线与信号的反射

3.5.2 串扰

3.6 布线

3.6.1 布线的原则

3.6.2 扇出

3.6.3 FPGA的布线

3.7 终端的匹配和端接

3.7.1 终端电阻并联匹配

3.7.2 双电阻形式的并联匹配

3.7.3. AC终端匹配

3.7.4 串行连接终端匹配

3.8 FPGA的片上引脚的端接匹配设置

3.9 PCB布线图

3.10 PCB设计后处理

3.10.1 产生测试点

3.10.2 生成光绘文件

3.11 本章小结

第4章 FPGA的加载与测试

4.1 下载配置的相关设置和操作步骤

4.2 测试结果分析

4.3 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