【matlab編程代做】步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)報(bào)告1.緒言在本次EDA課程設(shè)計(jì)中，我們組選擇了做一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的課題。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)我們以前并未接觸過(guò)，它的工作原理是什么，它是如何工作的，我們應(yīng)該如何控制它的轉(zhuǎn)停，這都是我們迫切需要了解的。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電源是互相聯(lián)系的整體。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源框圖如圖

2、1所示。變頻信號(hào)源產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度。脈沖分配器則根據(jù)要求把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到脈沖放大器上，使步進(jìn)電機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG 為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、86BYG 、110BYG 、（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）， 而像70BYG 、90BYG 、130BYG 等均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。1.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)。1.1.1 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU 產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-

3、0.4 左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 1.1.2 信號(hào)分配感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為，步距角為1.8 度；二相八拍為，步距角為0.9 度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB，步距角為1.8 度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB，(步距角為0.9 度）。 2.課題要求2.1 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 要求: (1) start為”1”時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 start為”0”時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。 (2) 預(yù)設(shè)step_in為常數(shù)，當(dāng)clk為上升沿，load和start為”1加載時(shí)，電機(jī)

4、開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)step_in次后，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)下次符合此要求時(shí)將再次轉(zhuǎn)動(dòng)。 (3) 通過(guò)load,，step_in同步或異步載入steps值。示意圖如下： 圖2如圖2所示,為步進(jìn)電機(jī)控制器的輸入輸出示意圖。其中：load為加載信號(hào) start為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)en為使能信號(hào)reset為置位清零信號(hào)clk為時(shí)鐘信號(hào)step_in15.0表示輸入的十六位二進(jìn)制數(shù),其數(shù)值范圍用十進(jìn)制數(shù)表示為0-65535。 Coil_out3.0表示輸出,共有A,B,A,B四種狀態(tài)。 A,B,A,B四種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)可用圖3表示,電機(jī)按下圖A- B- A- B- A循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),每轉(zhuǎn)過(guò)一次變換90度。當(dāng)Coil_out3.0

5、=“1000”，指針指向A；當(dāng)Coil_out3.0=“0100”，指針指向B；當(dāng)Coil_out3.0=“0010”，指針指向A；當(dāng)Coil_out3.0=“0001”，指針指向B；當(dāng)Coil_out3.0=“0000”，電機(jī)不工作。 圖32.2 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上收集資料，圖書館查閱書本，我們逐步了解了步進(jìn)電機(jī)，了解它的基本工作原理后我們我們逐漸形成了一些驅(qū)動(dòng)程序的基本構(gòu)思，我們決定利用狀態(tài)機(jī)的工作方式去編寫步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。3.方案設(shè)計(jì)與論證3.1 狀態(tài)機(jī)關(guān)于狀態(tài)機(jī)的一個(gè)極度確切的描述是它是一個(gè)有向圖形，由一組節(jié)點(diǎn)和一組相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。狀態(tài)機(jī)通過(guò)響應(yīng)一系列事件而“運(yùn)行”。每個(gè)事件都在屬于“當(dāng)前

6、” 節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)的控制范圍內(nèi)，其中函數(shù)的范圍是節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集。函數(shù)返回“下一個(gè)”（也許是同一個(gè)）節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)必須是終態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)終態(tài)，狀態(tài)機(jī)停止。包含一組狀態(tài)集（states）、一個(gè)起始狀態(tài)（start state）、一組輸入符號(hào)集（alphabet）、一個(gè)映射輸入符號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（transition function）的計(jì)算模型。當(dāng)輸入符號(hào)串，模型隨即進(jìn)入起始狀態(tài)。它要改變到新的狀態(tài)，依賴于轉(zhuǎn)換函數(shù)。在有限狀態(tài)機(jī)中，會(huì)有有許多變量，例如，狀態(tài) 機(jī)有很多與動(dòng)作（actions）轉(zhuǎn)換(Mealy機(jī))或狀態(tài)（摩爾機(jī)）關(guān)聯(lián)的動(dòng)作，多重起始狀態(tài)，基于沒(méi)有輸入符號(hào)的轉(zhuǎn)換

7、，或者指定符號(hào)和狀態(tài)（非定有 限狀態(tài)機(jī)）的多個(gè)轉(zhuǎn)換，指派給接收狀態(tài)（識(shí)別者）的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)等等。傳統(tǒng)應(yīng)用程序的控制流程基本是順序的：遵循事先設(shè)定的邏輯，從頭到尾地執(zhí)行。很少有事件能改變標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行流程；而且這些事件主要涉及異常情況?！懊钚袑?shí)用程序”是這種傳統(tǒng)應(yīng)用程序的典型例子。另一類應(yīng)用程序由外部發(fā)生的事件來(lái)驅(qū)動(dòng)換言之，事件在應(yīng)用程序之外生成，無(wú)法由應(yīng)用程序或程序員來(lái)控制。具體需要執(zhí)行的代碼取決于接收到的事件，或者它相對(duì)于其他事件的抵達(dá)時(shí)間。所以，控制流程既不能是順序的，也不能是事先設(shè)定好的，因?yàn)樗蕾囉谕獠渴录?。事件?qū)動(dòng)的GUI應(yīng)用程序是這種應(yīng)用程序的典型例子，它們由命令和選擇（也就是用戶

8、造成的事件）來(lái)驅(qū)動(dòng)。3.2 設(shè)計(jì)論證利用狀態(tài)機(jī)的工作原理來(lái)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制程序。本課題要求需要輸出五種狀態(tài)，其中有四種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)即按照此四種狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，還有一種狀態(tài)是用于保護(hù)電機(jī)，避免電機(jī)因通電過(guò)長(zhǎng)而燒壞。3.3 最初設(shè)計(jì)：按照由易及難的原則，即將steps值固定，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)恒定，每次觸發(fā)旋轉(zhuǎn)則按照固定steps值轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)steps值后停轉(zhuǎn)。二次修改：在設(shè)計(jì)好最初的目標(biāo)程序后，我們有對(duì)程序進(jìn)行改進(jìn)，即增加了steps預(yù)設(shè)功能，在進(jìn)行波形仿真的時(shí)候，可修改輸入信號(hào)step_in的值（16位二進(jìn)制數(shù)），從而改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)。更高要求：（1）在電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，應(yīng)使輸出為零，即保持電機(jī)的電

9、路電流為零，從而達(dá)到保護(hù)電機(jī)不被燒毀的目的。（2）在電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，若再次啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，則從上次停止的位置繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這是符合實(shí)際情況的仿真。（3）在電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，利用PWM技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行控制。 3.4鑒于以上要求，我們組經(jīng)過(guò)一周左右時(shí)間利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)出了符合課題要求的步進(jìn)電機(jī)控制器程序（見(jiàn)附錄）。如下圖4所示，為步進(jìn)電機(jī)控制仿真波形圖：圖4圖4中顯示的是step_in值分別為10，8，12三種情況（16進(jìn)制表示）時(shí)，Coil_out的輸出情況，結(jié)果表明波形仿真與設(shè)計(jì)要求相符。4. 總結(jié)與體會(huì)在編寫程序的過(guò)程中我們出現(xiàn)了很多這樣那樣的困難，但我們并沒(méi)有氣餒，而是認(rèn)真的探討研究，終于將其一一解決。

10、在編程的開(kāi)始我們就遇到了麻煩，輸入端口step_in是輸入了一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)，為了下面計(jì)數(shù)簡(jiǎn)單一點(diǎn)需要將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。開(kāi)始我們打算用數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)TO_INTEGER將STD_LOGIC_VECTOR轉(zhuǎn)換成INTEGER，這需要調(diào)用DATAIO庫(kù)，可在編譯的時(shí)候提示找不到DATAIO庫(kù)，我們只有放棄這一思路，另謀出入。在一次翻閱圖書館資料的時(shí)候我無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新思路，就是在實(shí)體的說(shuō)明語(yǔ)句中直接將step_in定義為step_in:IN INTEGER RANGE 65535 TO 0，這樣電腦可以將輸入的二進(jìn)制自動(dòng)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的。步進(jìn)值輸入了，那就要開(kāi)始計(jì)數(shù)，本來(lái)我們想用加法從0開(kāi)

11、始計(jì)數(shù)，但在編程實(shí)現(xiàn)這一想法的時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)這樣做需要考慮的因素太多了，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較困難。所以有人提議我們?cè)囍脺p法計(jì)數(shù)，我們照著做了，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣編確實(shí)很簡(jiǎn)單，而且程序也簡(jiǎn)潔明了。在老師檢查我們的程序的時(shí)候，老師發(fā)現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的漏洞，就是在轉(zhuǎn)動(dòng)steps停轉(zhuǎn)后電機(jī)仍保持著當(dāng)前狀態(tài)，這樣長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒壞。我們思考了一會(huì)決定給狀態(tài)機(jī)增加一個(gè)狀態(tài)，就是停轉(zhuǎn)的時(shí)候不給電機(jī)通電，在停轉(zhuǎn)的時(shí)候給電機(jī)這樣一個(gè)狀態(tài)可以起到保護(hù)的作用。在第二次給檢查的時(shí)候，老師又發(fā)現(xiàn)了要改進(jìn)的地方，那就是在轉(zhuǎn)了一個(gè)步進(jìn)值之后又給電機(jī)一個(gè)加載信號(hào)，使電機(jī)進(jìn)行二次工作，此時(shí)應(yīng)緊接著上一次的狀態(tài)繼續(xù)工作，而我們的卻從“10

12、00”狀態(tài)重新開(kāi)始的。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，我們決定增加一個(gè)變量before_state，使之保留當(dāng)前狀態(tài)，即當(dāng)current_state處于s0狀態(tài)時(shí)， next_state=s1，before_state=s0。這樣我們就解決了這一問(wèn)題。在這次編程中還有一個(gè)最令人頭痛的問(wèn)題，我們這個(gè)課題有很多的輸入，要使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有很多的條件，這就用到很多的if語(yǔ)句，可是在嵌套使用的過(guò)程中總是有問(wèn)題，電腦顯示太復(fù)雜，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的調(diào)整，最后也被我們克服了。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)到了關(guān)于EDA的很多其他知識(shí)點(diǎn)，對(duì)EDA有了更深的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)展了知識(shí)面。同時(shí)我們也有很多的體會(huì)，課程設(shè)計(jì)是四人一組的，這就需要我們有著良好的團(tuán)

13、隊(duì)合作意識(shí)，正是我們四個(gè)人的通力合作才順利完成了本次課程設(shè)計(jì)，每個(gè)人在這次課程設(shè)計(jì)中都扮演著重要的角色，每段程序都凝結(jié)著我們智慧的結(jié)晶，正所謂“三個(gè)臭皮匠頂上一個(gè)諸葛亮”。我們遇到困難時(shí)，并沒(méi)有退卻，而是勇敢的面對(duì)，正是這種不怕困難的精神克服了一個(gè)又一個(gè)難點(diǎn)。老師在選題時(shí)曾說(shuō)過(guò)，步進(jìn)電機(jī)是比較有難度的，但這并未成為我們的阻力，反而成了我們不斷超越的動(dòng)力！總而言之，本次課程設(shè)計(jì)讓我們受益匪淺！5.參考文獻(xiàn)5.1 VHDL電路設(shè)計(jì)技術(shù) 王道憲主編。5.2 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 陳大欽等著。5.3 EDA技術(shù)及應(yīng)用（第二版） 譚會(huì)生、張昌凡編著。附錄：VHDL源程序代碼LIBRARY IEEE;USE

14、IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY stepmotor ISPORT(reset,clk,load,en,start:IN STD_LOGIC; step_in:IN INTEGER RANGE 65535 TO 0; coil_out:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END stepmotor;ARCHITECTURE ART OF stepmotor ISTYPE FWM1 IS(s0,s1,s2,s3,s4);SIGNAL current_state,next_state,before_state:FWM1;BEGINPROCESS(load,clk,en,start)ISVARIABLE count:INTEGER RANGE 65535 TO 0;BEGINIF(load=1)THENcount:=step_in+1;ELSIF(reset=1)THENcurrent_state0 AND start=1)THEN count:=count-1; IF(en=1)THEN current_state=next_state; END IF; IF(count=0)THEN current_