步進電機細分驅(qū)動控制

1、“EDA技術(shù)應(yīng)用”專用周報告(步進電機細分驅(qū)動控制)系 部：電 氣 信 息 工 程 系 班 級：通 信 技 術(shù) 111 指導(dǎo)老師：龔 老 師 姓 名：齊 棋 201112020148 姓 名：付曉會 201112020121 摘 要本次課題（步進電機細分驅(qū)動控制）要求使用PWM方法來控制步進電機的驅(qū)動和細分旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)1/4細分（4.5°/步）控制盒不細分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步進電機正/反（由LED1和數(shù)碼管指示狀態(tài)）；KEY2控制步進電機正常運行/細分運行（由LED2和數(shù)碼管指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計、仿真等工作，最后在SmartEDA實驗箱上進

2、行硬件測試達到課題要求。關(guān)鍵詞：步進電機 PWM 驅(qū)動 細分目 錄第一章 課題介紹11.1 課題目的11.2 課題內(nèi)容11.3 課題原理11.3.1 4相反應(yīng)式步進電機的工作方式2第二章 硬件電路32.1 步進電機及驅(qū)動電路圖32.1.1 步進電機細分驅(qū)動的工作原理42.2 系統(tǒng)電源電路62.3 按鍵及LED電路72.4 七段數(shù)碼管顯示電路7第三章 設(shè)計步驟93.1 設(shè)計步驟93.2 引腳定義9第四章 程序清單10第五章 總結(jié)17附 錄19參考文獻22第一章 課題介紹1.1 課題目的學(xué)習(xí)使用FPGA實現(xiàn)步進電機和細分控制，了解步進電機細分控制的原理。1.2 課題內(nèi)容使用PWM方法來控制步進電機

3、的驅(qū)動和細分旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)1/4細分（4.5°/步）控制盒不細分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步進電機正/反（由LED1和數(shù)碼管指示狀態(tài)）；KEY2控制步進電機正常運行/細分運行（由LED2和數(shù)碼管指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計、仿真等工作，最后在SmartEDA實驗箱上進行硬件測試。1.3 課題原理步進電機是一種應(yīng)用非常廣泛的幾點產(chǎn)品，與普通電機相比它可以實現(xiàn)精確的位置控制，在驅(qū)動脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動到一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^

4、控制脈沖信號個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機的相數(shù)是指其內(nèi)部的線圈組數(shù)，如一個4相的步進電機有4組線圈。下面以4相步進電機為例，說明步進電機的控制。用A、B、C、D來表示步進電機的四個線圈。 4相反應(yīng)式步進電機的工作方式：1） 單相4拍運行方式正轉(zhuǎn)時線圈通電順序為：A BCD反轉(zhuǎn)時線圈通電順序為：ADCB2） 雙相4拍運行方式正轉(zhuǎn)時線圈通電順序為：ABBCCDDA反轉(zhuǎn)時線圈通電順序為：ADDCCBBA 3)雙相8拍運行方式正轉(zhuǎn)時線圈通電順序為：A AB B BC C CD D DA 反轉(zhuǎn)時線圈通電順序

5、為：AADDDCCCBBBA第二章 硬件電路2.1 步進電機及驅(qū)動電路圖圖21步進電機及驅(qū)動電路圖步進電機電路圖如圖21所示，電路中采用了達林頓管驅(qū)動芯片ULN2003A來驅(qū)動四相步進電機，只要正確輸出I/O控制時序，即可控制步進電機轉(zhuǎn)動。圖21中，電阻R59、R62、R65及R68為電機線圈上的限流/保護電阻。使用步進電機電路時，要將電源跳線JP4短接。電路中的COM5(STEP_COM)是對外的邏輯分析儀測試點以及接口。這些信號都以及連接到相應(yīng)的引腳上，使用時不需要進行連線控制。 步進電機細分驅(qū)動的工作原理步進電機細分驅(qū)動的工作原理是通過對電機勵磁繞組電流進行控制（這里繞組電流是呈階梯波，

6、即電流分成多少個臺階），使步進電機定子的合成磁場成為按細分步距旋轉(zhuǎn)的磁場，從而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的。當(dāng)兩相鄰繞組同時通過不同大小的電流時，各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零的位置就是新的平衡位置，所以通過控制各相的電流可以實現(xiàn)細分控制。要使電機按等步距轉(zhuǎn)動，電流必須符合兩個條件： 電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時每次變化的角度要均勻； 電流合成矢量的大小或幅值要保持不變。如圖22所示的是四相步進電機4細分驅(qū)動的原理。設(shè)A相通電時磁場方向為0°，如果以A相或B相單獨通電時產(chǎn)生的磁場大小為半徑（設(shè)半徑為R）畫圓（如圖22所示為1/4圖），即可算出位置“1”時的兩分量,。同理可以算出，。因此，可算出各相在某一時刻的電

7、流值，把各細分點的電流參數(shù)記錄下來，電機運行時以查表的方式取出數(shù)據(jù)，即可做到細分控制。如圖23所示為四相雙拍4細分各繞組電流波形圖，由圖中也可以看出一般總有兩相繞組通電，一相逐漸增大，要相逐漸減小。對應(yīng)一個步距角，電流可以分為N個臺階，也就是電機位置可以細分為N個小角度，實現(xiàn)N細分，從而可以驅(qū)動步進電機平滑運行。本實驗是用PWM信號來控制電機的，電機各相電流的大小取決于PWM信號占空比，所以可通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來控制電機各相的電流。圖22步進電機細分驅(qū)動原理圖23四相雙拍4細分各繞組電流波形圖2.2 系統(tǒng)電源電路圖24 系統(tǒng)電源電路圖主板使用了一塊專門的電源板進行供電，電源板所提供的電

8、源有+5V、+12V以及-12V，在主板上設(shè)計一個系統(tǒng)電源電路，使用LDO芯片（低壓差電源芯片）將5V電源轉(zhuǎn)換得到3.3V系統(tǒng)電源。系統(tǒng)電源電路如圖24所示，電源供電由J6和J8連接器輸入實驗箱主板，5V電源經(jīng)過LDO芯片U12穩(wěn)壓輸出3.3V電源。另外，主板上設(shè)計有模擬電路，需要一個5V的模擬電源VCC5A，它通過5V電源經(jīng)過濾波得到。模擬地和數(shù)字地是通過0電阻進行隔離，以降低噪聲干擾。主板上的J1J5為電源輸出接口，可以向用戶板提供+12V、-12V、5V和3.3V電源，但要求負載功率不要過重，也不要與其他電源連接，否則可能導(dǎo)致器件損壞。2.3 按鍵及LED電路圖25 按鍵及LED電路圖主

9、板上具有8個獨立按鍵和8個獨立LED，電路如圖25所示，電路中低電平表示按鍵按下。低電平點亮LED的壓降約為1.7V。LED點亮?xí)r的電流,即7.3mA。電路中電阻RP9、RP10都是起保護作用的。防止FPGA的I/O設(shè)為輸出且為高電平在按鍵按下時直接對地短路。核心板上的按鍵和LED與主板上的一一對應(yīng)，所用的控制I/O口也相同。本次實驗我們使用的按鍵分別是KEY1、KEY2，LED分別使用的是LED1、LED2。2.4 七段數(shù)碼管顯示電路主板上七段數(shù)碼管顯示電路如圖26所示，RP4和RP6是段碼上的限流電阻，位碼由于電流較大，采用了三極管驅(qū)動。從電路可以看出，數(shù)碼管是共陽極的，當(dāng)位碼驅(qū)動信號為0

10、時，對應(yīng)的數(shù)碼管才能操作；當(dāng)斷碼信號為0時，對應(yīng)的段碼點亮。圖26 七段數(shù)碼管顯示電路第三章 設(shè)計步驟3.1 設(shè)計步驟1）、啟動Quartus 建立一個空白工程，設(shè)計時可以采用硬件描述語言輸入的方式。2）、將設(shè)計好的.bdf或.v文件進行綜合編譯，薦在編譯進程中發(fā)現(xiàn)錯誤，則打出并更正錯誤，直至編譯成功為止。3）、選擇目標(biāo)器件并對相應(yīng)的引腳進行鎖定，將未使用的引腳設(shè)置為三態(tài)輸入。3.2 引腳定義第四章 程序清單modulestep(clock,key,dig,seg,led,pwm_out);inputclock; /系統(tǒng)輸入時鐘input1:0key; /按鍵輸入output1:0led; /

11、LED指示輸出output3:0pwm_out; /PWM輸出output7:0seg,dig;reg3:0pwm_out_r;reg3:0p_out_r;reg23:0count;/時鐘分頻計數(shù)器reg3:0pwm_count;/PWM內(nèi)部計數(shù)器reg3:0cnt4; /電機步進時序計數(shù)器reg15:0duty_cycle; /PWM占空比控制regdir; /電機旋轉(zhuǎn)方向控制regmode; /電機控制模式reg1:0dout1,dout2,dout3,buff; /消抖寄存器wire1:0key_edge; /按鍵消抖輸出wirepwm_clk; /PWM計數(shù)時鐘wirespeed_cl

12、k;/電機轉(zhuǎn)動速度控制wirediv_clk; /消抖動時鐘wire8:1dig;reg8:1seg;/時鐘分頻部分always(posedgeclock)begincount<=count+1'b1;endassigndig=8'b00000000;assignpwm_clk=(count6:0=7'h7f);assigndiv_clk=(count15:0=16'hffff);assignspeed_clk=(count=24'hffffff);/按鍵消抖部分always(posedgeclock)beginif(div_clk)begindo

13、ut1<=key;dout2<=dout1;dout3<=dout2;endend/按鍵邊沿檢測部分always(posedgeclock)beginbuff<=dout1|dout2|dout3;endassignkey_edge=(dout1|dout2|dout3)&buff;/按鍵操作部分always(posedgeclock) /按鍵1beginif(key_edge0)dir<=dir;endalways(posedgeclock) /按鍵2beginif(key_edge1)mode<=mode;endassignled=mode,di

14、r; /輸出LED指示assignpwm_out=mode?pwm_out_r:p_out_r;/輸出模塊選擇always(posedge clock) /數(shù)碼管顯示begincase(led)2'b00:seg=8'hb0;2'b01:seg=8'ha4;2'b10:seg=8'hf9;2'b11:seg=8'hc0;endcaseendalways(posedgeclock)/電機正/反轉(zhuǎn)控制beginif(speed_clk)beginif(dir=1'b1)cnt4<=cnt4+1'b1;elsecn

15、t4<=cnt4-1'b1;endendalways(posedgeclock)/PWM波計數(shù)器beginif(pwm_clk)pwm_count<=pwm_count+1'b1;endalways(posedgeclock)beginif(pwm_count3:0<duty_cycle15:12)/PWM A通道pwm_out_r3<=1'b1;elsepwm_out_r3<=1'b0;endalways(posedgeclock)beginif(pwm_count3:0<duty_cycle11:8)/PWM B通道pwm

16、_out_r2<=1'b1;elsepwm_out_r2<=1'b0;endalways(posedgeclock)beginif(pwm_count3:0<duty_cycle7:4)/PWM C通道pwm_out_r1<=1'b1;elsepwm_out_r1<=1'b0;endalways(posedgeclock)beginif(pwm_count3:0<duty_cycle3:0)/PWM D通道pwm_out_r0<=1'b1;elsepwm_out_r0<=1'b0;endalways

17、(posedgeclock)/步進電機控制時序beginif(speed_clk)begincase(cnt41:0)2'b00:p_out_r=4'b1100;2'b01:p_out_r=4'b0110;2'b10:p_out_r=4'b0011;2'b11:p_out_r=4'b1001;endcaseendendalways(cnt4)begincase(cnt4)4'h0:duty_cycle=16'hf000;4'h1:duty_cycle=16'he600;4'h2:duty_c

18、ycle=16'hbb00;4'h3:duty_cycle=16'h6e00;4'h4:duty_cycle=16'h0f00;4'h5:duty_cycle=16'h0e60;4'h6:duty_cycle=16'h0bb0;4'h7:duty_cycle=16'h06e0;4'h8:duty_cycle=16'h00f0;4'h9:duty_cycle=16'h00e6;4'ha:duty_cycle=16'h00bb;4'hb:duty_cycl

19、e=16'h006e;4'hc:duty_cycle=16'h000f;4'hd:duty_cycle=16'h600e;4'he:duty_cycle=16'hb00b;4'hf:duty_cycle=16'he006;endcaseendendmodule第五章 總結(jié)姓名：付曉會 學(xué)號：201112020121為期兩周的“EDA技術(shù)應(yīng)用”實訓(xùn)專用周結(jié)束了。通過這兩周的專用周學(xué)習(xí)，加深了我們對EDA知識的學(xué)習(xí)，掌握了Quartus的使用方法，能把所學(xué)的知識結(jié)合SmartEDA實驗箱得到我們要實現(xiàn)的項目。我們本次的課題是“

20、步進電機細分控制”。通過自我學(xué)習(xí)，我們對步進電機有了一定了了解。它與普通電機相比它可以實現(xiàn)精確的位置控制，在驅(qū)動脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉(zhuǎn)。本次實驗我們用的是四相步進電機，步進電機的相數(shù)是指內(nèi)部的線圈組數(shù)，四相的步進電機有四組線圈，我們分別用字母A、B、C、D來表示步進電機的四個線圈。實驗要求使用PWM（Pulse Width Modulatiaon:脈沖寬度調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中）方法來控制步進電機的驅(qū)動和細分旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)1/4細分（4.5°/步）控制盒不細分控制（18&#

21、176;/ 步）。用KEY1控制步進電機正/反（由LED1指示狀態(tài)）；KEY2控制步進電機正常運行/細分運行（由LED2指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計、仿真等工作，最后在SmartEDA實驗箱上進行硬件測試。分析了解了課題后，我們首先從課題方案著手，制定了實驗規(guī)劃。然后策劃工作流程，確立了實驗的走向。其次我們根據(jù)實現(xiàn)目的分析了我們所需要的電路原理圖，我們本次實驗所用的電路原理圖有：系統(tǒng)電源電路、按鍵及LED驅(qū)動電路和步進電機及驅(qū)動電路。我們使用Protel 99 SE繪制電路圖并分析了電路工作原理。最后，我們進行軟件編程和軟、硬件調(diào)試。在調(diào)試過程中，熟練的掌握了軟、硬件的使用。在整個實

22、訓(xùn)過程中，我們遇到了很多問題，但是通過學(xué)習(xí)，我們都能一一的解決。只有在問題中，我們才能找到自己所欠缺的知識，從而才能學(xué)到更多的知識。在此次實訓(xùn)中，要感謝龔老師對我人們的細心指導(dǎo)與耐心講解，謝謝！姓名：齊 棋 學(xué)號：201112020148兩周的EDA專用周結(jié)束了，通過這兩周的學(xué)習(xí)與實踐我學(xué)到了很多東西。老師教導(dǎo)我們要理論聯(lián)系實踐才能更好的掌握并應(yīng)用知識。在兩周的實訓(xùn)中，我們通過對于課題的實踐加深了已學(xué)習(xí)了的EDA的知識，同時也學(xué)習(xí)到了很多新的關(guān)于EDA的知識與Quartus的操作流程和技巧。本次我們做的課題是“步進電機細分驅(qū)動控制”，它是使用PWM方法來控制步進電機的驅(qū)動和細分旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)1/4細分（4.5°/步）控制盒不細分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步進電機正/反（由LED1指示狀態(tài)）；KEY2控制步進電機正常運行/細分運行（由LED2指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計、仿真等工作，最后在SmartEDA實驗箱上進行硬件測試。在對于課題的研究與學(xué)習(xí)中，我們了解到步進電機是一種引用非常廣泛的機電產(chǎn)品，與普通的電機相比它可以實現(xiàn)精確的位置控制，在驅(qū)動脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)步進