基于FPGA的步进电机细分控制技术研究

论文摘要

步进电机是一种比较常用的角度跟踪执行元件。由步进电机构成的开环系统结构简单，成本较低且较可靠，在众多民用产品生产领域得到广泛应用。但在一些系统精度、稳定性要求比较高、使用环境特殊的工程应用中，步进电机本身存在的分辨率低、低频振荡，高频丢步、失步等问题往往限制其使用范围。课题以国家重大航天工程为背景，根据航天电子产品要求结合地面产品成本低廉的特点，形成完整系统，对步进电机运行时存在的问题进行研究。设计并实现了一种基于FPGA的、以正/余弦波作为细分参考电流波形的两相混合步进电机细分电路。这种驱动方式在一定频率范围内可以有效控制电机绕组电流波形，实现步进电机的步距角均匀细分，提高电机转角分辨率。本文在推导出两相混合步进电机模型基础上，通过Modelsim仿真步进电机数字正弦参考电流值，在Simulink上建立整个系统仿真模型，采用Simulink与Modelsim软硬件联合仿真的方法，在理论上对系统进行仿真验证。在硬件电路设计方面，综合考虑成本、速度、所需逻辑资源等因素，采用Cyclone的EP1C3T144C8为FPGA电路板核心器件，相电流控制采用恒流斩波驱动电路板相结合的正弦细分控制方法，驱动电路及电机负载部分属于航天过程产品。通过理论模拟与硬件实验结果的分析，验证该控制方式的有效性。此外，本设计所采用的Modelsim与Simulink软硬件联合仿真方式可以为以后以FPGA设计为基础的工程应用的前期设计提供一个比较好的验证方式，在建立比较准确的模型基础上，就可以大大缩短工程应用设计周期与成本耗费。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义介绍
• 1.2 步进电机细分驱动技术国内外研究状况
• 1.3 步进电机的振荡和失步问题
• 1.4 全文内容计划安排
• 第二章 两相混合式步进电机细分控制
• 2.1 两相混合式步进电机结构介绍与运行机理
• 2.2 两相混合式步进电机数学模型
• 2.3 两相混合步进电机细分控制原理
• 2.4 本章总结
• 第三章 两相混合步进电机细分驱动控制联合仿真
• 3.1 软硬件仿真环境介绍
• 3.2 联合仿真接口—EDA SIMULATOR LINK MQ/HDL CO -SIMULATION
• 3.3 两相混合步进电机细分驱动仿真
• 3.3.1 恒流斩波驱动仿真
• 3.3.2 两相混合步进电机模型仿真
• 3.3.3 细分驱动控制仿真模型
• 3.4 MODELSIM与SIMULINK联合仿真
• 3.5 仿真结果及其分析
• 3.6 本章总结
• 第四章 混合步进电机细分驱动硬件实验设计
• 4.1 两相混合步进电机细分驱动硬件系统方案设计
• 4.2 FPGA硬件电路板设计
• 4.2.1 FPGA发展历史介绍
• 4.2.2 低成本FPGA- Cyclone介绍
• 4.2.3 硬件电路模块设计
• 4.2.4 恒流斩波控制硬件电路板设计
• 4.3 细分驱动硬件程序设计
• 4.3.1 正/余弦查找表设计
• 4.3.2 数模转换输入信号程序设计
• 4.3.3 硬件实验结果与分析
• 4.4 本章总结
• 第五章 全文总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢