步进电机定位控制系统设计

学生学号 课程设计 题目题目步进电机定位控制系统设计步进电机定位控制系统设计 学学 院院信息工程学院信息工程学院 专业专业 班级班级 姓名姓名 指导老师指导老师 2013 2014 学年 6 月 20 日 课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 题目题目 步进电机定位控制系统设计步进电机定位控制系统设计 初始条件 初始条件 1 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力 2 熟悉 ISE 仿真软件的操作与运用 3 掌握步进电机的工作原理 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 1 设计一个基于 FPGA 的 4 相步进电机定位控制系统 包括步进电机方 向设定 电路模块 步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块 2 撰写符合学校要求的课程设计说明书 时间安排 时间安排 1 2014 年 06 月 11 日 布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要 求说明 2 2014 年 06 月 12 日 至 2014 年 06 月 17 日 设计说明书撰写 3 2014 年 06 月 18 日 上交课程设计成果及报告 同时进行答辩 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 目录目录 摘要 I Abstract II 1 设计目标及简介 1 1 1 设计目标 1 1 2 步进电机简介 1 2 VHDL 语言介绍 2 3 Quartus 介绍 3 4 系统组成 4 4 1 四相步进电机工作原理 4 4 2 系统组成 6 5 模块设计 7 5 1 FPGA 模块图及信号说明 7 5 2 系统模块构成 7 5 3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 7 5 4 电机方向设定电路模块 7 5 5 步进电机步进移动与定位控制模块 8 5 6 编码输出模块 9 6 程序设计与仿真 10 7 仿真结果 14 8 实验总结 16 参考文献 17 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 I 摘要 在分析了步进电机工作原理的基础上 提出了步进电机定位控制系统的模 块划分和实现方法 以步进电机四相四拍工作方式为例 用 Verilog 编程在 Altera 公司的 FPGA 开发系统中实现了各功能模块和显示程序 在系统仿真的 基础上 进行了功能模块的控制实验 实验结果和仿真一致 实现了对步进电 机模组的预定控制 关键词 步进电机 定位控制 Verilog 硬件描述语言 FPGA 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 II Abstract On the basis of analysing stepping motor s operational principle we put forward modules division and realizing method of positioning control system which using stepping motor Giving an example such as stepping motors which work in Four phase four step mode we use Verilog programming realized every foundational module and display routine in Altera s FPGA development system On the basis of system simulation we conduct a controlling experiment about foundational modules the results are the same as simulation s results We carried out the expected control about stepping motor Keyword stepping motor positioning control VHDL FPGA 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 1 1 设计目标及简介 1 1 设计目标 设计一个基于 FPGA 的 4 相步进电机定位控制系统 1 2 步进电机简介 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 在非超 载的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而 不受负载变化的影响 即给电机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这 一线性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 使 得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 2 2 VHDL 语言介绍 VHDL 的英文全名是 Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 诞生于 1982 年 1987 年底 VHDL 被 IEEE 和美国国防 部确认为标准硬件描述语言 VHDL 主要用于描述数字系统的结构 行为 功能和接口 除了含有许多 具有硬件特征的语句外 VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一 般的计算机高级语言 VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计 或称设计实 体 可以是一个元件 一个电路模块或一个系统 分成外部 或称可视部分 及端口 和内部 或称不可视部分 既涉及实体的内部功能和算法完成部分 在对一个设计实体定义了外部界面后 一旦其内部开发完成后 其他的设计就 可以直接调用这个实体 这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL 系统设 计的基本点 VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用 它自身必然 具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点 归纳起来 VHDL 语言主要具有 功能强大 设计方式多样 硬件描述能力强大 具有很强的移植能力 设计描 述与器件无关程序易于共享和复用等优点 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 3 3 Quartus 介绍 Quartus II 是 Altera 公司的综合性 PLD FPGA 开发软件 支持原理图 VHDL VerilogHDL 以及 AHDL Altera Hardware Description Language 等多 种设计输入形式 内嵌自有的综合器以及仿真器 可以完成从设计输入到硬件 配置的完整 PLD 设计流程 Quartus II 可以在 XP Linux 以及 Unix 上使用 除了可以使用 Tcl 脚本完 成设计流程外 提供了完善的用户图形界面设计方式 具有运行速度快 界面 统一 功能集中 易学易用等特点 Quartus II 提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境 具有数字逻辑 设计的全部特性 包括 可利用原理图 结构框图 VerilogHDL AHDL 和 VHDL 完成电路描述 并将其保存为设计实体文件 芯片 电路 平面布局连 线编辑 LogicLock 增量设计方法 用户可建立并优化系统 然后添加对原始 系统的性能影响较小或无影响的后续模块 功能强大的逻辑综合工具 完备的 电路功能仿真与时序逻辑仿真工具 定时 时序分析与关键路径延时分析 可使 用 SignalTap II 逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析 支持软件源文件的添加和 创建 并将它们链接起来生成编程文件 使用组合编译方式可一次完成整体设 计流程 自动定位编译错误 高效的期间编程与验证工具 可读入标准的 EDIF 网表文件 VHDL 网表文件和 Verilog 网表文件 能生成第三方 EDA 软件使用 的 VHDL 网表文件和 Verilog 网表文件 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 4 4 系统组成 4 1 四相步进电机工作原理 步进电机是利用数字信号控制的电机装置 步进电机每次接收到一组脉冲 数字信号 便旋转一个角度 称为步进角 不同规格的步进电机的步进角不同 与电动机内部的线圈数量有关 线圈中的供应电流决定线圈所产生的磁场方向 4 相步进电机有两组线圈 A 和 B 如图 4 1 所示 A B 两组垂直摆放线 圈的电流方向的排列组合 最多可以产生 8 种磁场方向 分别是 0 45 90 135 180 225 270 315 图 4 1 四相步进电机 由表 4 1 可以知 假设电动机转子刻度在 0 的位置 想让其转 180 可以 使端口信号依次按 0001 0011 0010 0110 到 0100 变化 注意 四相电动机有 1 相激磁法 2 相激磁法和 1 2 相混合激磁法 3 种激磁 方式 不同的激磁方式 端口信号的顺序是不同的 表 4 1 四相步进电机的 8 个方向和电流以及电压信号的关系 该步进电机为一四相步进电机 采用单极性直流电源供电 只要对步进电 机的各相绕组按合适的时序通电 就能使步进电机步进转动 图 4 2 是该四相 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 5 反应式步进电机工作原理示意图 图 4 2 四相步进电机步进示意图 开始时 开关 SB 接通电源 SA SC SD 断开 B 相磁极和转子 0 3 号 齿对齐 同时 转子的 1 4 号齿就和 C D 相绕组磁极产生错齿 2 5 号齿 就和 D A 相绕组磁极产生错齿 当开关 SC 接通电源 SB SA SD 断开时 由于 C 相绕组的磁力线和 1 4 号齿之间磁力线的作用 使转子转动 1 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐 而 0 3 号齿和 A B 相绕组产生错齿 2 5 号齿就和 A D 相绕组磁极产生错 齿 依次类推 A B C D 四相绕组轮流供电 则转子会沿着 A B C D 方向转动 四相步进电机按照通电顺序的不同 可分为单四拍 双四拍 八拍三种工 作方式 单四拍与双四拍的步距角相等 但单四拍的转动力矩小 八拍工作方 式的步距角是单四拍与双四拍的一半 因此 八拍工作方式既可以保持较高的 转动力矩又可以提高控制精度 四相四拍运行方式即 AB BC CD DA AB 四 相八拍运行方式即 A AB B BC C CD D DA A 单四拍 双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 4 3 的 a b c 所示 图 4 3a 单四拍 图 4 3b 双四拍 图 4 3c 八拍 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 6 4 2 系统组成 图 4 4 系统组成 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 7 5 模块设计 5 1 FPGA 模块图及信号说明 图 5 1 FPGA 模块图 reset 系统内部复位信号 1 时有效 dir 步进电机正反转的方向控制开关 0 逆时针 1 顺时针 clk 由 FPGA 内部提供的 4MHz 的时钟信号 ini 赋初值的使能开关 0 时有效 manner 激磁方式的选择开关 两位 00 自动检测角度输入 决定激磁方 式 01 1 相激磁 10 2 相激磁 11 1 2 相激磁 angle 步进角的倍数设定输入键 baba 将内部计数器的 count 3 downto 0 的数值编码输出 5 2 系统模块构成 系统主要由步进电机方向设定电路模块 步进电机步进移动与定位控制模 块和编码输出模块构成 前两个模块完成电机旋转方向设定 激磁方式设定和定位角度的换算等工 作 后一个模块用于对换算后的角度量编码输出 5 3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 count 内部电路计数累加器 用来产生输出所需对应的状态 cntinc 设定累加器所需的累加 减计数值 sntini 设定累加器所需的计数初值 angledncount 设定步进角所需处理的次数 Angledncntdec 设定步进角所需累减计数值 5 4 电机方向设定电路模块 该模块设定了步进电机的旋转方向以及电机在任一方向上所需的初值与累 加 减值 dir 为 0 时 步进电机工作于逆时针旋转模式 累加值为正数 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 8 manner 选择激磁方式 00 01 10 11 分别对应默认激磁方式 1 相激磁 方式 2 相激磁方式和 1 2 相激磁方式 如表 5 1 表 5 1 dir 为 0 时 dir 为 1 时 步进电机工作于顺时针旋转模式 累加值为负数 manner 选 择激磁方式 00 01 10 11 分别对应默认激磁方式 1 相激磁方式 2 相激磁 方式和 1 2 相激磁方式 如表 5 2 manner cntini cntinc angledncntdec 00 angle 2n 1 时 1 angle 2n 时 0 2 2 01 0 2 2 10 1 2 2 11 0 1 1 表 5 2 dir 为 1 时 5 5 步进电机步进移动与定位控制模块 该模块的主要功能是利用赋初值 ini 将数值传到该模块中并配合输入的 clk 作为同步控制信号 进行步进电机的步进移动与定位控制 步进电机定位功能通过一个减法器实现 在每个 clk 脉冲上升缘 设定步 进角倍数 angledncount 减去不同激磁方式下设定的累减记数值 angledncntdec 判断差值小于设定的累减记数时 步进电机旋转到预定角度停止输出驱动端口 信号 实现步进电机的定位功能 manner cntini cntinc angledncntdec 00 angle 2n 1 时 1 angle 2n 时 0 2 2 01 0 2 2 10 1 2 2 11 0 1 1 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 9 驱动端口信号利用累加器实现 5 6 编码输出模块 该模块的功能是将 count 与 angledncount 产生的数值经过编码 并通过 baba 3downto0 输出到步进电机 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 10 6 程序设计与仿真 library IEEE use IEEE std logic 1164 all use IEEE std logic arith all use IEEE std logic unsigned all entity step motor is port reset in STD LOGIC 系统复位信号 dir in STD LOGIC 方向控制信号 clk in STD LOGIC 系统时钟信号 ini in STD LOGIC 初始化使能信号 manner in STD LOGIC VECTOR 1 downto 0 激磁方式的选择开 关 angle in INTEGER range 255 downto 0 步进角的倍数设定输入 baBA out STD LOGIC VECTOR 3 downto 0 步进电机状态输出 end step motor architecture stepmotor arch of step motor is signal count INTEGER range 0 to 7 计数器 signal cntInc INTEGER range 2 to 2 设定累加器所需的累 加 减 计数 值 signal cc integer range 0 to 3 signal cntIni INTEGER range 1 to 0 设定累加器所需的计数初值 signal angleDnCount INTEGER range 255 downto 0 计算已经转过的步进 角 signal angleDnCntDec INTEGER range 2 downto 1 begin process dir manner angle ini begin if ini 1 then cc 1 相激励 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 11 count 0 cntIni 0 cntInc 2 angleDnCntDec 2 相激励 count 7 cntIni 1 cntInc 2 angleDnCntDec 1 2 相激励 count 0 cntIni 0 cntInc 1 angleDnCntDec manner 00 autodetect if angle rem 2 1 then 2 相激励 count 7 cntIni 1 cntInc 2 angleDnCntDec 2 10 else 1 相激励 count 0 cntIni 0 cntInc 2 angleDnCntDec 1 相激励 count 0 cntIni 0 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 12 cntInc 2 angleDnCntDec 2 相激励 count 7 cntIni 1 cntInc 2 angleDnCntDec 1 2 相激励 count 0 cntIni 0 cntInc 1 angleDnCntDec manner 00 autodetect if angle rem 2 1 then 2 相激励 cntIni 1 cntInc 2 angleDnCntDec 2 10 else 1 相激励 cntIni 0 cntInc 2 angleDnCntDec 2 10 end if angle end case manner end if else dir 0 end if ini end process counting reset process reset ini angle clk begin if reset 1 then count 0 angleDnCount 0 elsif clk event and clk 1 then 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 13 if ini 0 then count 0 cntIni angleDnCount angle else count angleDnCntDec then angleDnCount angleDnCount angleDnCntDec else angleDnCount 0 end if end if end if end process baBA 7 end stepmotor arch 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 14 7 仿真结果 图 7 1 编译结果 图 7 2 时序仿真部分结果 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 15 图 7 3 时序仿真结果 武汉理工大学 FPGA 原理及应用 课程设计报告 16 8 实验总结 本文所设计的步进电机控制系统实现简单 编程容易 所设计系统实现了 对电机模组的预定