微步进电机控制器设计和版图实现

中文摘要 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的装置，它结构简单、工作可靠，能将数字的电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统中。另外，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使微步进电机控制装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 本文首先简要介绍了微步进电机的控制策略和微步进电机的调速原理。接着详细介绍了三相微步进电机控制器的实现原理和系统结构。本设计用Verilog硬件描述语言实现电机控制逻辑，包括分频模块、数据锁存模块、单三拍相位状态机模块、双三拍相位状态机模块，单双六拍相位状态机模块，模式选择模块等。用Modelsim软件对RTL代码进行仿真，结果均表明输出波形稳定、精确。 由于专用集成电路（ASIC）技术具有集成度高，稳定性、可靠性高，功耗低等优点，本文最后详细介绍了采用半制定专用集成电路(ASIC）技术对本控制器进行版图设计的方法，具体内容包括RTL代码综合、静态时序分析、布局布线、延迟仿真、寄生参数抽取、DRC验证和LVS验证等。本系统使用Chartered 0.35um 3.3v/3.3v Logic 工艺。通过对版图的各种验证，结果表明控制器的版图设计能够很好的满足时序要求、功能要求和设计规则要求等。 关键词：步进电机，控制，ASIC，版图设计 目录中文摘要??? IAbstract??? II第1章 前言??? 11.1 选题背景??? 11.2 微步进电机??? 11.2.1 微步进电机的工作原理??? 11.2.2 微步进电机的控制策略??? 11.3 ASIC设计的典型流程??? 21.3 课题的主要任务??? 3第2章 微步进电机控制器设计??? 42.1 控制器的系统级设计??? 42.2 控制器的模块定义??? 52.3 控制器的RTL代码仿真??? 8第3章 逻辑综合的实现??? 103.1 逻辑综合??? 103.2 设计环境??? 113.3 综合约束??? 113.3.1 时序约束??? 113.3.2 设计环境约束??? 123.4 控制器的综合脚本约束??? 133.5 综合结果??? 14第4章 基于Astro的后端设计??? 164.1 Astro简介??? 164.1.1 Astro的设计方法??? 164.1.2 Astro后端设计流程??? 174.2 布局规划（Floorplan)??? 184.3 布局（Placement)??? 184.4 时钟树综合（CTS)??? 194.5 布线（Routing)??? 194.6 为步进电机控制器的版图实现??? 20第5章 物理版图验证??? 225.1 设计规则检查??? 225.2 LVS验证??? 23第6章 静态时序分析及后仿真??? 256.1 Primetime简介??? 256.2 STA的优点??? 266.3 时序路径与时序约束??? 266.4 STA的原理??? 266.5 控制器版图后静态时序分析及结果??? 276.6 控制器版图后仿真??? 30结论??? 33致谢??? 34参考文献??? 35 微步进电机的工作原理 ??? 微步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。