基于FPGA的步进电机细分控制

1 河河 南南 工工 程程 学学 院院 实实 习习 报报 告告 专 业 电子科学与技术 班 级 姓 名 年年 月月 日日 2 实习 训 报告评语实习 训 报告评语 等 级 评阅人 职称 年 月 日 3 河河 南南 工工 程程 学学 院院 实习 训 报告实习 训 报告 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 4 一一 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实验箱上运行硬件测试 三三 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性能的闭环数控系 5 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 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 6 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 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 A B C D A 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 AB BC CD AB 3 八拍工作方式 对四相反应步进电机进行控制时 控制电流切换四次 磁场旋 7 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 A AB B BC C CD D DA A 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 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 8 总有两相绕组通电 一相逐渐增大 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 9 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 Cyclone2 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 10 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 input 1 0 key 按键输入 output 1 0 led LED 指示输出 output 3 0 pwm out PWM 输出 reg 3 0 pwm out r reg 3 0 p out r reg 23 0 count 时钟分频计数器 11 reg 3 0 pwm count PWM 内部计数器 reg 3 0 cnt4 电机步进时序计数器 reg 15 0 duty 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 reg 1 0 dout1 dout2 dout3 buff 消抖寄存器 wire 1 0 key edge 按键消抖输出 wire pwm clk 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 1 b1 时钟分频计数器加一 end assign pwm clk count 6 0 7 h7f PWM 进行 7 分频 2 5us assign div clk count 15 0 16 hffff 消抖动时钟 16 分频 1 3ms 12 assign speed clk count 24 hffffff 转速控制 24 分频 335ms 按键消抖部分 always 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 end assign key edge dout1 dout2 dout3 按键操作部分 always posedge clock 按键 1 控制电机正反转 13 begin if key edge 0 dir dir end always posedge clock 按键 2 控制电机正常运转 细分运行 begin if key edge 1 mode mode end assign 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 1 b1 按键 1 未按下 计数器加 1 电机正 转 cnt4 cnt4 1 b1 14 else 按键 1 按下 计数器减 1 电机反转 cnt4 cnt4 1 b1 end end always posedge clock PWM 波计数器 begin if pwm clk pwm count pwm count 1 b1 PWM 内部计数器加 1 end always posedge clock PWM A 通道 begin if pwm count 3 0 duty cycle 15 12 PWM 内部计数器小 于占空比的高 4 位的值 pwm out r 3 1 b1 else pwm out r 3 1 b0 end always posedge clock PWM B 通道 begin 15 if pwm count 3 0 duty cycle 11 8 PWM 内部计数器小于占 空比的 8 11 位的值 pwm out r 2 1 b1 else pwm out r 2 1 b0 end always posedge clock PWM C 通道 begin if pwm count 3 0 duty cycle 7 4 PWM 内部计数器小于占空 比的 4 7 位的值 pwm out r 1 1 b1 else pwm out r 1 1 b0 end always posedge clock PWM D 通道 begin if pwm count 3 0 duty cycle 3 0 PWM 内部计数器小于占空 比的低 4 位的值 pwm out r 0 1 b1 else 16 pwm out r 0 1 b0 end always posedge clock 步进电机控制时序 begin if speed clk begin case cnt4 1 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 endcase end end always cnt4 步进电机 4 细分控制 PWM 波参 数表 begin case cnt4 4 h0 duty cycle 16 hf000 4 h1 duty cycle 16 he600 17 4 h2 duty cycle 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 cy