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1、 毕 业 设 计 论 文题目：基于FPGA步进电机细分驱动控制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版
2、本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意
3、学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注意事项1.设计（论文）的容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万
4、字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复
5、印件）次序装订目录摘要4ABSTRACT5第1章绪论61.1 引言61.2步进电机的特点与应用71.3课题研究的目的和意义8第二章步进电机的结构和细分驱动原理92.1步进电机的结构92.2步进电机的分类102.2.1永磁式步进电机102.2.2反应式步进电机112.2.3混合式步进电机122.3步进电机驱动技术概述142.4步进电机细分驱动的研究现状162.5步进电机细分驱动原理162.6测试原理192.7目前可以实现的方法与比较202.8本文主要工作212.9本章小结22第三章 FPGA以与VHDL语言233.1 可编程逻辑器件的发展概况233.2现场可编程门阵列FPGA结构253.3现场集
6、成的编程方式273.4 VHDL语言283.4.1 VHDL语言的编写283.4.2 VHDL程序的顺序问题293.4.3 VHDL编程中的问题303.4.4 VHDL语言的组成以与编程的基础313.5本章小结32第四章步进电机细分驱动系统的硬件设计324.1 驱动系统的组成334.2驱动系统的总体方案设计344.3各子模块电路的设计354.3.1主回路与驱动电路的设计354.3.2电流测量电路设计以与反馈电路的设计364.3.3主控制芯片和周边电路的设计374.3.4 主回路与驱动功放电路的设计394.3.5光电隔离接口与电源设计414.3.6 保护电路的设计424.4本章小结43第五章步进
7、电机细分驱动系统的软件设计445.1系统软件的实现445.2系统软件总体设计465.3控制部分475.3.1频率产生模块485.3.2总输出脉冲数控制模块495.3.3每秒输出的脉冲个数寄存器更新模块515.4脉冲发生电路软件的设计535.4.1 16bit计数器模块的设计545.4.2 脉冲叠加模块555.5 PWM波形的产生565.6积分分离式PI控制算法575.7本章小结58第六章仿真结果和实验结果与分析596.1 模块仿真596.1.1频率产生模块596.1.2脉冲管理模块596.1.3 PWM 发生器模块仿真606.1.4 PI 调节模块仿真616.2本章小结61结论63参考文献64
8、致67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与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
9、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
10、动AbstractThedrivingsystem ofstepmotorhasbeenwidelyusedinindustry.It hastheadvantage of high accuracy of fixing position, low cost, control ease, and alsohas the disadvantage of resonance in low frequency in this paper, I have designeda FPGA-based driver to drive step motor which can using sine pulse
11、 widthmodulation to realize adjustable subdivision.This drivercancontrolthestepmotorinfulldigitalmode.It useFPGAtogenerate all control signals to exchange data with upper units by serialcommunication in order to adjust some parameter; use IR2175 which is a linearcurrent sensing IC to measure feedbac
12、k current; use Motion-Smart PowerModule to drive the motor. Because of this architecture, this driver has theadvantages of small size, low cost,high anti-interference ability and lager drivingpower.Employingthetop-to-bottom designmethod,thecircuitwasdescribedbythe VHDL language, synthesized and simu
13、lated in the EDA environmentcurrents measure module and PWM model are optimized, which can reach170MHz performance in a FPGA chip whose System performance is up to 150MHz. These two modules improve the chips ability to control input signal andoutput signal. I have designed a control unit which combi
14、nes some merit of statemachine and the Constant Coded Programable Stable Machine.This control unitoccupy little resource, and can support 100MIPS performance. In this paper, I have introduced some important components which are supported by SPARTAN-11 family.Accordingtoexperimentsresult,thisdriverha
15、stheadvantagesofeasydebugging,highanti-interferenceabilityandlagerdrivingpower.Keywords: Stepmotor; FPGA; AdjustableSubdivision; SPWM; Driving第1章 绪 论1.1 引言电气驱动控制系统是以电机为控制对象，以微电子芯片为控制核心，以电力电子功率变换器为执行机构，在自动控制理论的框架下组成的控制系统，其目的是通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Stepping motor、Pulse motor 或 Stepper servo，其应用发展已有约 80 年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，步进电机驱动器通过外加控制脉
