臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在研製應用於運動平台的馬達驅動系統硬體電路，並根據所使用的混合型二相步進馬達特性及電流控制要求，設計出三軸運動平台所需之雙極性驅動系統。本論文使用FPGA (Field Programmable Gate Array)做為控制器核心，在FPGA上架構三軸運動控制系統。吾人根據FPGA的運動控制器來架構步進馬達驅動系統所需之周邊以及擴充電路以完成運動控制板之設計，並以達到三軸控制功能為目的。在步進馬達驅動系統中包含閘極驅動電路、全橋驅動電路與電流回授電路等。電流回授電路不需使用昂貴的電流感測器，而是利用簡單的比較器電路取出目前工作電流與電流命令值的相對關係，並且搭配FPGA三軸運動控制器中的電流控制模組，做到定電流驅動，使步進馬達激磁電流能穩定的保持在命令值上。本論文最後以三軸雕刻加工機實際加工於木板，驗證所設計驅動系統的電流控制與運動控制效果的正確與穩定性。

This research carries on the hardware implementation of stepping motor drive system for 3-axis motion control platform. With the knowledge of the hybrid stepping motors, the hardware circuit of full-bridge power converters and the current regulating strategies of average current control and peak current control; and the design methodologies using the Field Programmable Gate Array (FPGA) on the motion controller and communication interface, we thus design an integrated system which combines the stepping motor drive system and motion controller. Via the hardware comparator circuit compared with the desired current level, the one-bit output of comparator is then sent to the current controller module to determine the duty cycle of PWM module which keeps the winding current on the desired level. Finally, the motion control system is implemented by both the hardware circuit board design and software system program, and applied to a 3-axis caving machine. The simulated and experimental results show that the system successfully achieves the desired performance.

摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與方法 2
1.3 論文架構 6
第二章 步進馬達介紹與特性分析 7
2.1 步進馬達發展歷程 7
2.2 步進馬達應用特點 8
2.3 步進馬達轉子構造分類 8
2.3.1 可變磁阻型(VR)步進馬達 8
2.3.2 永久磁鐵型(PM)步進馬達 9
2.3.3 混合型(HB)步進馬達 10
2.4 線圈極性與繞線方式 11
2.5 步進馬達基本特性 13
2.5.1 靜態特性 13
2.5.2 動態特性 15
2.6 共振與不安定現象 17
2.6.1 一步進反應特性 19
2.6.2 共振分類 21
2.7 步進馬達激磁方式 22
2.7.1 1相激磁方式 22
2.7.2 2相激磁方式 23
2.7.3 1-2相激磁方式 24
第三章 基於FPGA之運動控制器設計 26
3.1 三軸運動控制架構 26
3.2 運動控制板設計 27
3.2.1 Cyclone III系列FPGA晶片 27
3.2.2 直流電源供應 28
3.2.3 燒錄介面 34
3.2.4 重置電路 40
3.2.5 I/O介面 41
3.2.6 USB to UART 介面 46
3.2.7 UROMTER 介面 51
3.2.8 SD卡介面 54
3.3 運動控制板成品 57
3.4 人機介面介紹 59
第四章 步進馬達驅動系統 61
4.1 驅動電路種類 61
4.1.1 單極性驅動電路 61
4.1.2 雙極性驅動電路 62
4.2 電流響應改善技術 63
4.2.1 步進馬達繞組電流特性 64
4.2.2 外加電阻法 66
4.2.3 雙電壓控制法 68
4.2.4 截波控制法 70
4.3 雙極性驅動電路 72
4.3.1 全橋驅動電路 73
4.3.2 閘極驅動電路 76
4.3.3 定電流控制電路 79
4.4 機台原點與極限信號電路 83
4.5 驅動電路板成品 84
4.6 峰值與平均值電流控制法 89
4.6.1 平均值電流控制法 89
4.6.2 峰值電流控制法 91
4.7 反電動勢常數量測 92
4.8 定電流控制系統模型建立 96
第五章 模擬驗證與實測結果 100
5.1 三軸雕刻機硬體架構 100
5.2 定電流控制模擬結果 103
5.3 定電流控制器實作 110
5.4 雕刻實作 117
第六章 結論與未來研究方向 119
參考文獻 121

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