基于FPGA的步进电机细分控制.docx

1、基于FPGA的步进电机细分控制实习目的（内容）： 步进电机细分控制 实习时间： 自 月 日至 月 日 共 天。实习地点： 实习单位： 指导老师： 系主任： 一. 实验目的 学习使用FPGA实现步进电机和细分控制，了解步进电机细分控制的原理。 二. 实验内容 MagicSOPC实验箱上有1个四相步进电机。 本实验的内容是使用PMW方法来控制步进电机细分旋转，实验1/4细分（4.5度/步）控制和不细分控制（18度/步）。用KEYI控制步进电机正/反（由LED1指示状态）；KEY2控制电机正常运转/细分运行（LED2指示状态）。利用Quartus2完成设计、仿真等工作，最后在MagicsSOPC实验

2、箱上运行硬件测试。 三. 实验原理 步进电动机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转变为角位移,即给一个脉冲,步进电机就转一个角度, 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电动机有如下特点：1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此,当它转一圈后,没有累计误差,具有良好的跟随性。2步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简单、廉价,又非常可靠,同时,它也可以与角度反馈环节组成高

3、性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。4）速度可在相当宽的范围内平稳调整,低速下仍能获得较大转距,因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电源和直流电源。6）步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应措施。 步进电机具有和机械结构简单的优点,图1是四相六线制步进电机原理图,这类步进电机既可作为四相电机使用,也可以做为两相电机使用,使用灵活,因此应用广泛。 步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8度四相混合式步进电机为例,在整步方式下,步进电机每接收一个脉冲,旋转1.8度

4、,旋转一周,则需要200个脉冲,在半步方式下,步进电机每接收一个脉冲,旋转0.9度,旋转一周,则需要400个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲,以上述四相六线制步进电机为例,其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表1和表2所列。 步进电机在低频工作时,会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式,就能很好的解决这个问题,步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分,一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小

5、,步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。（1）四相反应式步进电机的工作方式 1）单四拍工作方式 四相反应式步进电机各相位A、B、C、D。如果换相方式为ABCDA，测试电流切换四次，即将相四次时，磁场就会旋转一周，同时转子转动一个锯齿。所谓“单”是指每次对单相通电；“四拍”是指切换相四次磁场旋转一周，转子转动一个锯齿。 2）双四拍工作方式 在步进电机的不仅控制中，如果每次都是两相通电，控制电流切换四次，磁场旋转一周，转子移动一个锯齿位置，则称为双四拍工作方式，在双四拍工作方式中，每拍通电的相磁极和转换情况如为：ABBCCDAB 3）八拍工作方式 对四相反应步进电机进行控制时，控制电流切换四

6、次，磁场旋转一周，在步进电机的步进控制中，如果每次都是两相通电，控制电流切换四次，磁场旋转一周，转子移动一个锯齿位置，则称为双四拍工作方式。在双四拍工作方式中，每拍通电的相磁极和转换情况为：AABBBCCCDDDAA （2）步进电机细分驱动的工作原理 步进电机细分驱动的工作原理是通过对电机励磁绕组电流进行控制（这里绕组电流是呈阶梯波，电流分成多少个台阶）。使步进电机定子的合成磁场成为按细分步距旋转的磁场，从而带动转子转动实现的。当两相邻绕组同时通过不同大小的电流时，各相产生的转距之和为零的位置为新的平衡位置，所以通过控制各相的电流可以实现细分控制，要使电机按等步距转动，电流合成必须符合两个条件

7、： 1）电流合成矢量旋转时每次变化的角度要均匀 2）电流合成矢量的大小或幅值要保持不变。 如图4.26所示的是四相步进电机4细分驱动的原理，设A相通是磁场方向为零度，如果以A相或B相单独通电时产生的磁场大小为半径（设半径为R）画圆，即可算出位置1时的两分量，A1=Rsina1，B1=Rcosa1，同理可以算出A2=Rsina2，B2=Rcosa；A3=singa3，B3=Rcosa3，一次可以算出各相在某一时刻的电流值，把各细分的电流参数记录下来，电机运行时以查表方式取出数据，即可做到细分控制。如图4.27所示为四相双四拍4细分各绕组电流波形图，由图中也可以看出一般总有两相绕组通电，一相逐渐增

8、大，一相逐渐减小。对应一个步距角，电流可以分为N个台阶，也就是电机位置可以细分为N个小角度，实现N细分，从而可以驱动步进电机平滑运行。本实验是用PWM信号来控制电机的，电机各相电流的大小取决于PMW信号的占空比，所以可通过调节PWM信号的占空比来控制电机的电流。图4.26 步进电机细分驱动原理 图4.27 四相双四拍4细分各绕组电流波形图四. 实验步骤 1）启动Quartus2建立一个空白工程，然后命名为step_moto.qpf。 2）新建VarilogHDL源程序文件step_moto.v，写出程序代码并保存3） 选择目标器件并对相应的引脚进行锁定，在这里所选择的器件为Altera公司 C

9、yclone2系列的EP2C35F672C8芯片，引脚锁定方法如表4.9所列。将未使用的引脚设置为三态输入（一定要设置，否则可能会损坏芯片）。设置方法见3.1节。 表4.9 引脚锁定方法4）对该工程文件进行编译处理，若在编译过程中发现错误，则找出并更正，直至编译成功为止。 5）确保跳线短接帽跳接到JP5（步进电机源）的ON端口，把程序下载到FPGA器件中。按KEY1-KEY2，观察步进电机的运行状态五. 实验参考程序 程序清单4.9 步进电机控制模块 module step_moto(clock,key,led,pwm_out);input clock; /系统输入时钟input1:0 key

10、; /按键输入output1:0led; /LED指示输出output3:0 pwm_out; /PWM输出reg3:0 pwm_out_r; reg3:0 p_out_r; reg 23:0 count; /时钟分频计数器 reg 3:0 pwm_count; /PWM内部计数器reg3:0cnt4; /电机步进时序计数器reg15:0duty_cycle; /PWM占空比控制reg dir; /电机旋转方向控制reg mode; /电机控制模式reg1:0dout1,dout2,dout3,buff; /消抖寄存器 wire1:0key_edge; /按键消抖输出wire pwm_clk;

11、 /PWM计数时钟wire speed_clk; /电机转动速度控制wire div_clk; /消抖动时钟/时钟分频部分always (posedge clock) begin count = count + 1b1; /时钟分频计数器加一endassign pwm_clk = (count6:0 = 7h7f); /PWM进行7分频（2.5us）assign div_clk = (count15:0 = 16hffff); /消抖动时钟16分频（1.3ms）assign speed_clk = (count = 24hffffff); /转速控制24分频(335ms)/按键消抖部分alwa

12、ys (posedge clock)begin if(div_clk) begin dout1 = key; /非阻塞，并行执行 dout2 = dout1; dout3 = dout2; end end/按键边沿检测部分always (posedge clock)begin buff = dout1 | dout2 | dout3;endassign key_edge = (dout1 | dout2 | dout3) & buff;/按键操作部分always (posedge clock) /按键1，控制电机正反转begin if(key_edge0) dir = dir; endalwa

13、ys (posedge clock) /按键2，控制电机正常运转/细分运行begin if(key_edge1) mode = mode;endassign led = mode,dir; /输出LED指示assign pwm_out = mode ? pwm_out_r : p_out_r;/输出模块选择（细分/正常）always (posedge clock) /电机正/反转控制begin if(speed_clk) begin if(dir = 1b1) /按键1未按下，计数器加1，电机正转 cnt4 = cnt4 + 1b1; else /按键1按下，计数器减1，电机反转cnt4 =

14、cnt4 - 1b1; endendalways (posedge clock) /PWM波计数器 begin if(pwm_clk) pwm_count = pwm_count + 1b1; /PWM内部计数器加1endalways (posedge clock) /PWM A通道begin if (pwm_count3:0 duty_cycle15:12) /PWM内部计数器小于占空比的高4位的值 pwm_out_r3 = 1b1; else pwm_out_r3 = 1b0;endalways (posedge clock) /PWM B通道begin if (pwm_count3:0

15、duty_cycle11:8) /PWM内部计数器小于占空比的811位的值 pwm_out_r2 = 1b1; else pwm_out_r2 = 1b0;endalways (posedge clock) /PWM C通道begin if (pwm_count3:0 duty_cycle7:4) /PWM内部计数器小于占空比的47位的值 pwm_out_r1 = 1b1; else pwm_out_r1 = 1b0;endalways (posedge clock) /PWM D通道begin if (pwm_count3:0 duty_cycle3:0) /PWM内部计数器小于占空比的低4

16、位的值 pwm_out_r0 = 1b1; else pwm_out_r0 = 1b0;endalways (posedge clock) /步进电机控制时序begin if(speed_clk) begin case(cnt41:0) 2b00:p_out_r = 4b1100; 2b01:p_out_r = 4b0110; 2b10:p_out_r = 4b0011; 2b11:p_out_r = 4b1001; endcase endendalways (cnt4) /步进电机4细分控制PWM波参数表 begin case(cnt4) 4h0:duty_cycle = 16hf000;

17、4h1:duty_cycle = 16he600; 4h2:duty_cycle = 16hbb00; 4h3:duty_cycle = 16h6e00; 4h4:duty_cycle = 16h0f00; 4h5:duty_cycle = 16h0e60; 4h6:duty_cycle = 16h0bb0; 4h7:duty_cycle = 16h06e0; 4h8:duty_cycle = 16h00f0; 4h9:duty_cycle = 16h00e6; 4ha:duty_cycle = 16h00bb; 4hb:duty_cycle = 16h006e; 4hc:duty_cycle = 16h000f; 4hd:duty_cycle = 16h600e; 4he:duty_cycle = 16hb00b; 4hf:duty_cycle = 16he006; endcaseendendmodule六程序流程图六实验结果1).下载测试仿真KEYI按下时控制步进电机正/反同时LED1变亮；KEY2按下时电机进行正常运转/细分运行同时由LED2指示状态实验结果和实验预期一致，试验成功