步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制

1、“EDA技術(shù)應(yīng)用”專用周報(bào)告(步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制)系 部：電 氣 信 息 工 程 系 班 級(jí)：通 信 技 術(shù) 111 指導(dǎo)老師：龔 老 師 姓 名：齊 棋 201112020148 姓 名：付曉會(huì) 201112020121 摘 要本次課題（步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制）要求使用PWM方法來控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和細(xì)分旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)1/4細(xì)分（4.5°/步）控制盒不細(xì)分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步進(jìn)電機(jī)正/反（由LED1和數(shù)碼管指示狀態(tài)）；KEY2控制步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行/細(xì)分運(yùn)行（由LED2和數(shù)碼管指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計(jì)、仿真等工作，最后在SmartEDA實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)

2、行硬件測試達(dá)到課題要求。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng) 細(xì)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(jìn)電機(jī)的工作方式2第二章 硬件電路32.1 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路圖32.1.1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(jì)步驟93.1 設(shè)計(jì)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(xiàn)22第一章 課題介紹1.1 課題目的學(xué)習(xí)使用FPGA實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分控制，了解步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的原理。1.2 課題內(nèi)容使用PWM方法來控制步進(jìn)電機(jī)

3、的驅(qū)動(dòng)和細(xì)分旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)1/4細(xì)分（4.5°/步）控制盒不細(xì)分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步進(jìn)電機(jī)正/反（由LED1和數(shù)碼管指示狀態(tài)）；KEY2控制步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行/細(xì)分運(yùn)行（由LED2和數(shù)碼管指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計(jì)、仿真等工作，最后在SmartEDA實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行硬件測試。1.3 課題原理步進(jìn)電機(jī)是一種應(yīng)用非常廣泛的幾點(diǎn)產(chǎn)品，與普通電機(jī)相比它可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，在驅(qū)動(dòng)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(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^

4、控制脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指其內(nèi)部的線圈組數(shù)，如一個(gè)4相的步進(jìn)電機(jī)有4組線圈。下面以4相步進(jìn)電機(jī)為例，說明步進(jìn)電機(jī)的控制。用A、B、C、D來表示步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈。 4相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作方式：1） 單相4拍運(yùn)行方式正轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈 BCD反轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈DCB2） 雙相4拍運(yùn)行方式正轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈BBCCDDA反轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈DDCCBBA 3)雙相8拍運(yùn)行方式正轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈 AB B BC C CD D DA 反轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序

5、為：AADDDCCCBBBA第二章 硬件電路2.1 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路圖圖21步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路圖步進(jìn)電機(jī)電路圖如圖21所示，電路中采用了達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A來驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)，只要正確輸出I/O控制時(shí)序，即可控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖21中，電阻R59、R62、R65及R68為電機(jī)線圈上的限流/保護(hù)電阻。使用步進(jìn)電機(jī)電路時(shí)，要將電源跳線JP4短接。電路中的COM5(STEP_COM)是對(duì)外的邏輯分析儀測試點(diǎn)以及接口。這些信號(hào)都以及連接到相應(yīng)的引腳上，使用時(shí)不需要進(jìn)行連線控制。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理是通過對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流進(jìn)行控制（這里繞組電流是呈階梯波，

6、即電流分成多少個(gè)臺(tái)階），使步進(jìn)電機(jī)定子的合成磁場成為按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的磁場，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)兩相鄰繞組同時(shí)通過不同大小的電流時(shí)，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(shí)現(xiàn)細(xì)分控制。要使電機(jī)按等步距轉(zhuǎn)動(dòng)，電流必須符合兩個(gè)條件： 電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jìn)電機(jī)4細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理。設(shè)A相通電時(shí)磁場方向?yàn)?°，如果以A相或B相單獨(dú)通電時(shí)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(shí)的兩分量,。同理可以算出，。因此，可算出各相在某一時(shí)刻的電

7、流值，把各細(xì)分點(diǎn)的電流參數(shù)記錄下來，電機(jī)運(yùn)行時(shí)以查表的方式取出數(shù)據(jù)，即可做到細(xì)分控制。如圖23所示為四相雙拍4細(xì)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(duì)應(yīng)一個(gè)步距角，電流可以分為N個(gè)臺(tái)階，也就是電機(jī)位置可以細(xì)分為N個(gè)小角度，實(shí)現(xiàn)N細(xì)分，從而可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)平滑運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)是用PWM信號(hào)來控制電機(jī)的，電機(jī)各相電流的大小取決于PWM信號(hào)占空比，所以可通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來控制電機(jī)各相的電流。圖22步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理圖23四相雙拍4細(xì)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(jìn)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(jì)一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)有模擬電路，需要一個(gè)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(jìn)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(fù)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(gè)獨(dú)立按鍵和8個(gè)獨(dú)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(diǎn)亮LED的壓降約為1.7V。LED點(diǎn)亮?xí)r的電流,即7.3mA。電路中電阻RP9、RP10都是起保護(hù)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(shí)直接對(duì)地短路。核心板上的按鍵和LED與主板上的一一對(duì)應(yīng)，所用的控制I/O口也相同。本次實(shí)驗(yàn)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(dòng)。從電路可以看出，數(shù)碼管是共陽極的，當(dāng)位碼驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0

10、時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管才能操作；當(dāng)斷碼信號(hào)為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的段碼點(diǎn)亮。圖26 七段數(shù)碼管顯示電路第三章 設(shè)計(jì)步驟3.1 設(shè)計(jì)步驟1）、啟動(dòng)Quartus 建立一個(gè)空白工程，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用硬件描述語言輸入的方式。2）、將設(shè)計(jì)好的.bdf或.v文件進(jìn)行綜合編譯，薦在編譯進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則打出并更正錯(cuò)誤，直至編譯成功為止。3）、選擇目標(biāo)器件并對(duì)相應(yīng)的引腳進(jìn)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(shí)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(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)器reg3:0pwm_count;/PWM內(nèi)部計(jì)數(shù)器reg3:0cnt4; /電機(jī)步進(jìn)時(shí)序計(jì)數(shù)器reg15:0duty_cycle; /PWM占空比控制regdir; /電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制regmode; /電機(jī)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(jì)數(shù)時(shí)鐘wirespeed_cl

12、k;/電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制wirediv_clk; /消抖動(dòng)時(shí)鐘wire8:1dig;reg8:1seg;/時(shí)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(jī)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(jì)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(jìn)電機(jī)控制時(shí)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(huì) 學(xué)號(hào)：201112020121為期兩周的“EDA技術(shù)應(yīng)用”實(shí)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(duì)EDA知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握了Quartus的使用方法，能把所學(xué)的知識(shí)結(jié)合SmartEDA實(shí)驗(yàn)箱得到我們要實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目。我們本次的課題是“

20、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制”。通過自我學(xué)習(xí)，我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)有了一定了了解。它與普通電機(jī)相比它可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，在驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下可以按規(guī)定的速度和角度旋轉(zhuǎn)。本次實(shí)驗(yàn)我們用的是四相步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指內(nèi)部的線圈組數(shù)，四相的步進(jìn)電機(jī)有四組線圈，我們分別用字母A、B、C、D來表示步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈。實(shí)驗(yàn)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(duì)模擬電路進(jìn)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和細(xì)分旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)1/4細(xì)分（4.5°/步）控制盒不細(xì)分控制（18&#

21、176;/ 步）。用KEY1控制步進(jìn)電機(jī)正/反（由LED1指示狀態(tài)）；KEY2控制步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行/細(xì)分運(yùn)行（由LED2指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計(jì)、仿真等工作，最后在SmartEDA實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)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(shí)驗(yàn)規(guī)劃。然后策劃工作流程，確立了實(shí)驗(yàn)的走向。其次我們根據(jù)實(shí)現(xiàn)目的分析了我們所需要的電路原理圖，我們本次實(shí)驗(yàn)所用的電路原理圖有：系統(tǒng)電源電路、按鍵及LED驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(gè)實(shí)

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(shí)，從而才能學(xué)到更多的知識(shí)。在此次實(shí)訓(xùn)中，要感謝龔老師對(duì)我人們的細(xì)心指導(dǎo)與耐心講解，謝謝！姓名：齊 棋 學(xué)號(hào)：201112020148兩周的EDA專用周結(jié)束了，通過這兩周的學(xué)習(xí)與實(shí)踐我學(xué)到了很多東西。老師教導(dǎo)我們要理論聯(lián)系實(shí)踐才能更好的掌握并應(yīng)用知識(shí)。在兩周的實(shí)訓(xùn)中，我們通過對(duì)于課題的實(shí)踐加深了已學(xué)習(xí)了的EDA的知識(shí)，同時(shí)也學(xué)習(xí)到了很多新的關(guān)于EDA的知識(shí)與Quartus的操作流程和技巧。本次我們做的課題是“步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制”，它是使用PWM方法來控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和細(xì)分旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)1/4細(xì)分（4.5°/步）控制盒不細(xì)分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步進(jìn)電機(jī)正/反（由LED1指示狀態(tài)）；KEY2控制步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行/細(xì)分運(yùn)行（由LED2指示狀態(tài)）。利用Quartus完成設(shè)計(jì)、仿真等工作，最后在SmartEDA實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行硬件測試。在對(duì)于課題的研究與學(xué)習(xí)中，我們了解到步進(jìn)電機(jī)是一種引用非常廣泛的機(jī)電產(chǎn)品，與普通的電機(jī)相比它可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，在驅(qū)動(dòng)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(jìn)