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基于PWM的两相混合式步进电机细分驱动芯片的设计

作　者: 李建玲
导　师: 刘树林
学　校: 西安科技大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 步进电机细分驱动 PWM 集成电路
分类号: TM383.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 11次
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内容摘要

步进电机经过几十年的发展,在自动控制等相关领域的应用日益广泛,而步进电机的运行性能与其使用的驱动器有着密切的关系,故对步进电机驱动器的研究越来越受到人们的重视。就步进电机的驱动技术而言,细分驱动具有良好的控制效果,而将步进电机细分驱动控制电路集成在一块芯片中,可以使得步进电机在实现细分驱动,得到优良运行性能的同时,整个驱动电路系统的组成更为简单,可靠性更高,控制更为方便。本文在详细论述了步进电机细分驱动原理的基础上,设计了一款基于 PWM 的两相混合式步进电机细分驱动芯片。论文通过分析两相混合式步进电机的数学模型,介绍了两相混合式步进电机的细分控制策略。步进电机细分控制能够有效地解决电机低频振荡问题,提高了电机在中、低速运行时的性能,同时使得电机的步距精度更高。在两相混合式步进电机细分驱动技术理论分析的基础上,以 3 位非线性 DAC 产生的拟正弦波变化的阶梯电平作为控制电机绕组电流的基准,通过 PWM 控制驱动器的开通和关断,使电机绕组电流按正弦规律变化,从而实现两相混合式步进电机的恒转矩 8 细分驱动。芯片的设计流程按照专用集成电路的设计流程进行,文中详细介绍了组成芯片各个模块的电路结构和原理,并给出了仿真结果。通过由 EDA 工具提供的 spectre 仿真证明了设计方案和理论分析的可行性和正确性,所设计的基于 PWM 的步进电机细分驱动控制电路可以实现预定目标。在电路设计的基础上,完成了芯片版图的绘制,并验证了版图的正确性。

全文目录

1 绪论  8-19
  1.1 步进电机及其驱动控制技术的研究现状与发展趋势  8-14
    1.1.1 步进电机及其发展  8-9
    1.1.2 步进电机的特点及其应用  9-10
    1.1.3 步进电机驱动控制系统的构成  10
    1.1.4 步进电机不同的驱动控制方式及发展趋势  10-14
  1.2 电力电子技术、微电子技术和功率集成电路的研究现状与发展趋势  14-18
    1.2.1 电力电子技术的现状与发展趋势  14-16
    1.2.2 微电子技术的发展  16-17
    1.2.3 功率集成电路的现状与发展趋势  17-18
  1.3 本课题的研究内容和期望目标  18
  1.4 小结  18-19
2 两相混合式步进电机的工作原理  19-31
  2.1 步进电机的分类及主要技术指标  19-21
    2.1.1 步进电机的分类  19-21
    2.1.2 步进电机的主要技术指标  21
  2.2 两相混合式步进电机的组成及工作原理  21-27
    2.2.1 两相混合式步进电机的结构  21-23
    2.2.2 两相混合式步进电机的转矩矢量分析  23-27
  2.3 两相混合式步进电机的数学模型  27-30
    2.3.1 两相混合式步进电机的磁链和电感[13]  27-29
    2.3.2 两相混合式步进电机的数学模型  29-30
  2.4 小结  30-31
3 步进电机的细分驱动技术  31-37
  3.1 步进电机的细分驱动原理  31-35
    3.1.1 步进电机的合成磁势分析  31-32
    3.1.2 两相混合式步进电机细分驱动控制理论  32-35
  3.2 细分驱动技术分类及其特点  35-36
  3.3 小结  36-37
4 两相混合式步进电机细分驱动芯片的设计  37-55
  4.1 两相混合式步进电机细分驱动芯片的总体构成及工作原理  37-38
    4.1.1 系统总体构成  37
    4.1.2 系统工作原理  37-38
  4.2 集成电路的设计技术  38-43
    4.2.1 EDA 技术的发展  39
    4.2.2 设计用软件工具的特点  39-41
    4.2.3 应用专用集成电路（ASIC）设计方法  41-42
    4.2.4 专用集成电路设计流程  42-43
    4.2.5 设计用仿真工具介绍  43
  4.3 内部电路设计与仿真  43-54
    4.3.1 PWM 控制电路的设计  43-48
    4.3.2 非线性DAC 电路的设计  48-51
    4.3.3 逻辑电路的设计  51
    4.3.4 后级功率输出级电路的设计  51-52
    4.3.5 温度保护电路的设计  52-54
  4.4 小结  54-55
5 芯片版图的设计与绘制  55-61
  5.1 芯片版图的设计方法  55-56
  5.2 芯片版图的设计  56-59
    5.2.1 划分隔离区  56
    5.2.2 元件图形和尺寸设计  56-59
    5.2.3 布局和布线  59
  5.3 芯片版图的验证与检查  59-60
    5.3.1 DRC 文件及验证结果  59-60
    5.3.2 LVS 文件及验证结果  60
  5.4 芯片版图的完成  60
  5.5 小结  60-61
6 结论  61-62
  6.1 芯片驱动电路整体仿真结果显示  61
  6.2 所设计芯片的应用展望  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-65
附录1 DRC 、LVS 文件显示  65-75
附录2 芯片版图  75-76
附录3 攻读学位期间发表的论文  76-77
详细摘要  77-87

基于PWM的两相混合式步进电机细分驱动芯片的设计

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