步進電機細分驅動控制

1、“EDA技術應用”專用周報告(步進電機細分驅動控制)系 部：電 氣 信 息 工 程 系 班 級：通 信 技 術 111 指導老師：龔 老 師 姓 名：齊 棋 201112020148 姓 名：付曉會 201112020121 摘 要本次課題（步進電機細分驅動控制）要求使用PWM方法來控制步進電機的驅動和細分旋轉，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和數碼管指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設計、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。關鍵詞：步進電機 PWM 驅動 細分目 錄第一章 課題介紹11.1 課題目的11.2 課題內容11.3 課題原理11.3.1 4相反應式步進電機的工作方式2第二章 硬件電路32.1 步進電機及驅動電路圖32.1.1 步進電機細分驅動的工作原理42.2 系統(tǒng)電源電路62.3 按鍵及LED電路72.4 七段數碼管顯示電路7第三章 設計步驟93.1 設計步驟93.2 引腳定義9第四章 程序清單10第五章 總結17附 錄19參考文獻22第一章 課題介紹1.1 課題目的學習使用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 課題內容使用PWM方法來控制步進電機

3、的驅動和細分旋轉，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和數碼管指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設計、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用非常廣泛的幾點產品，與普通電機相比它可以實現(xiàn)精確的位置控制，在驅動脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按規(guī)定的方向轉動到一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉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動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機的相數是指其內部的線圈組數，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相反應式步進電機的工作方式：1） 單相4拍運行方式正轉時線圈通電順序為：A BCD反轉時線圈通電順序為：ADCB2） 雙相4拍運行方式正轉時線圈通電順序為：ABBCCDDA反轉時線圈通電順序為：ADDCCBBA 3)雙相8拍運行方式正轉時線圈通電順序為：A AB B BC C CD D DA 反轉時線圈通電順序

5、為：AADDDCCCBBBA第二章 硬件電路2.1 步進電機及驅動電路圖圖21步進電機及驅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動芯片ULN2003A來驅動四相步進電機，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的引腳上，使用時不需要進行連線控制。 步進電機細分驅動的工作原理步進電機細分驅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的磁場，從而帶動轉子轉動實現(xiàn)的。當兩相鄰繞組同時通過不同大小的電流時，各相產生的轉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動，電流必須符合兩個條件： 電流合成矢量旋轉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細分驅動的原理。設A相通電時磁場方向為0°，如果以A相或B相單獨通電時產生的磁場大小為半徑（設半徑為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記錄下來，電機運行時以查表的方式取出數據，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電源經過LDO芯片U12穩(wěn)壓輸出3.3V電源。另外，主板上設計有模擬電路，需要一個5V的模擬電源VCC5A，它通過5V電源經過濾波得到。模擬地和數字地是通過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點亮時的電流,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，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 七段數碼管顯示電路主板上七段數碼管顯示電路如圖26所示，RP4和RP6是段碼上的限流電阻，位碼由于電流較大，采用了三極管驅動。從電路可以看出，數碼管是共陽極的，當位碼驅動信號為0

10、時，對應的數碼管才能操作；當斷碼信號為0時，對應的段碼點亮。圖26 七段數碼管顯示電路第三章 設計步驟3.1 設計步驟1）、啟動Quartus 建立一個空白工程，設計時可以采用硬件描述語言輸入的方式。2）、將設計好的.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）、選擇目標器件并對相應的引腳進行鎖定，將未使用的引腳設置為三態(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;/時鐘分頻計數器reg3:0pwm_count;/PWM內部計數器reg3:0cnt4; /電機步進時序計數器reg15:0duty_cycle; /PWM占空比控制regdir; /電機旋轉方向控制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計數時鐘wirespeed_cl

12、k;/電機轉動速度控制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 總結姓名：付曉會 學號：201112020121為期兩周的“EDA技術應用”實訓專用周結束了。通過這兩周的專用周學習，加深了我們對EDA知識的學習，掌握了Quartus的使用方法，能把所學的知識結合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”。通過自我學習，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，在驅動脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉。本次實驗我們用的是四相步進電機，步進電機的相數是指內部的線圈組數，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:脈沖寬度調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中）方法來控制步進電機的驅動和細分旋轉，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驅動電路和步進電機及驅動電路。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、硬件調試。在調試過程中，熟練的掌握了軟、硬件的使用。在整個實

22、訓過程中，我們遇到了很多問題，但是通過學習，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，從而才能學到更多的知識。在此次實訓中，要感謝龔老師對我人們的細心指導與耐心講解，謝謝！姓名：齊 棋 學號：201112020148兩周的EDA專用周結束了，通過這兩周的學習與實踐我學到了很多東西。老師教導我們要理論聯(lián)系實踐才能更好的掌握并應用知識。在兩周的實訓中，我們通過對于課題的實踐加深了已學習了的EDA的知識，同時也學習到了很多新的關于EDA的知識與Quartus的操作流程和技巧。本次我們做的課題是“步進電機細分驅動控制”，它是使用PWM方法來控制步進電機的驅動和細分旋轉，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習中，我們了解到步進電機是一種引用非常廣泛的機電產品，與普通的電機相比它可以實現(xiàn)精確的位置控制，在驅動脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉。當步進