步进电机细分驱动控制

1、1好旳工務蔽當他術救免“ EDA技术应用”专用周报告（步进电机细分驱动控制）系 部：电气信息工程系班 级：通信技术 11 1指导老师：龚老师姓 名：齐棋 2姓 名：付晓会 2摘要本次课题（步进电机细分驱动控制）要求使用PWM法来控制步进电机的驱 动和细分旋转，实现 1/4 细分（4.5°/步）控制盒不细分控制（ 18°/ 步）。用 KEY1控制步进电机正/反（由LED1和数码管指示状态）；KEY2空制步进电机正常 运行/细分运行（由LED2和数码管指示状态）。利用Quartus U完成设计、仿真 等工作，最后在SmartEDA实验箱上进行硬件测试达到课题要求。关键词 ：步进

2、电机 PWM 驱动 细分目录第一章 课题介绍 11.1课题目的 1.1.2课题内容 1.1.3课题原理 1.1.3.1 4 相反应式步进电机的工作方式 2第二章 硬件电路 32.1步进电机及驱动电路图 3.2.1.1 步进电机细分驱动的工作原理 42.2系统电源电路 6.2.3按键及LED电路72.4七段数码管显示电路 7.第三章设计步骤 93.1 设计步骤 9.3.2 引脚定义 9.第四章程序清单 10第五章总结 17附 录 19参考文献 22第一章 课题介绍1.1 课题目的学习使用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。1.2 课题内容使用PWM方法来控制步进电机的驱动

3、和细分旋转，实现 1/4细分（4.5 ° / 步）控制盒不细分控制（18° /步）。用KEY1控制步进电机正/反（由LED1和数 码管指示状态）；KEY2空制步进电机正常运行/细分运行（由LED2和数码管指示 状态）。利用Quartus U完成设计、仿真等工作，最后在 SmartEDA实验箱上进行 硬件测试。1.3 课题原理步进电机是一种应用非常广泛的几点产品， 与普通电机相比它可以实现精确 的位置控制， 在驱动脉冲的控制下可以按规定的速度和角度旋转。 当步进驱动器 接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按规定的方向转动到一个固定的角度， 称为“步距角”，它的旋转是以固定的角

4、度一步一步运行的。可以通过控制脉冲 信号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。步进电机的相数是指其内部的线圈组数， 如一个 4相的步进电机有 4组线圈。 下面以4相步进电机为例，说明步进电机的控制。用 A、B、C、D来表示步进电 机的四个线圈。1.3.1 4相反应式步进电机的工作方式:1）单相4拍运行方式正转时线圈通电顺序为： A B C D反转时线圈通电顺序为： A D C B2）双相4拍运行方式正转时线圈通电顺序为： AB BC CD DA反转时线圈通电顺序为： AD DC CB BA3）双相8拍运行方式

5、正转时线圈通电顺序为：A B B » BC » C CD D DA_ 反转时线圈通电顺序为：i-A AD D DC C CB B BA-34第二章硬件电路2.1 步进电机及驱动电路图JP4MBV+R5 9R6 2COM51IN1OUT1ULN200 3A21ULN2003A2IN2OUT2ULN200 3B43ULN2003B3 IN3OUT3ULN200 3C657ULN2003C4.IN4OUT4OUT5ULN200 3D8ULN2003D |5 IN56IN6 卜IN7OUT6OUT7CLAMPSTEP_COM78COMMONU5ULN20 0 3AR6 51 2T7

6、1 09R6 8BA COMMBV+5/1 WBB COMC2 85/1 W5/1 WMBV+BD COMMS1MOTOR STEPPERMBC COMMBV+5/1W12I VCCSJ11BA COMBA COMMVB+ BC COMMVB+BC COMBB COMMB COMBB_ COM MBV+MBV+BD COMBD COM图21步进电机及驱动电路图步进电机电路图如图 2 1所示，电路中采用了达林顿管驱动芯片ULN2003A来驱动四相步进电机，只要正确输出 I/O控制时序，即可控制步进电 机转动。图21中，电阻R59 R62 R65及R68为电机线圈上的限流/保护电阻 使用步进电机电

7、路时，要将电源跳线 JP4短接。电路中的COM5(STEP_COM寸外的逻辑分析仪测试点以及接口。这些信号 都以及连接到相应的引脚上，使用时不需要进行连线控制。2.1.1 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，即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， 各相产生的转矩之和为零的位置就是新的平衡位置， 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， 电流必须符合两个条 件： 电流合成矢量旋转时每次变

8、化的角度要均匀； 电流合成矢量的大小或幅值要保持不变。如图22所示的是四相步进电机4细分驱动的原理。设 A相通电时磁场 方向为0°,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（如图2 2所示为1/4图），即可算出位置“1”时的两分量 A1 Rsin 1 , B1 Rcos 1 。 同 理 可 以 算 出 A2 Rsin 2 ， B2 Rcos 2 ， A3 Rsin 3， B3 Rcos 3。因此，可算出各相在某一时刻的电流值，把各细分 点的电流参数记录下来， 电机运行时以查表的方式取出数据， 即可做到细分控制。 如图23所示为四相双拍4细分各绕组电流波形图

9、，由图中也可以看出一般 总有两相绕组通电，一相逐渐增大，要相逐渐减小。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&号来控制电机的，电机各相电流的大小取决于 PWM信号占 空比，所以可通过调节PWM&号的占空比来控制电机各相的电流图23四相双拍4细分各绕组电流波形图2.2系统电源电路VCC5L1C15C16100 uH200uF/16V104C17105C18104VCC5AJ8C19102VCC3 3LED9,PowerXZR13C0R2匸1R10VCC5C44104T6VSSA43

10、21VCC-12470 QCON4U12SPX11 17-3.3C45104ut OVDNGVCC-123.3V800mA图24系统电源电路图主板使用了一块专门的电源板进行供电，电源板所提供的电源有+5V、+12V以及-12V，在主板上设计一个系统电源电路，使用LDO芯片（低压差电源芯片）将5V电源转换得到3.3V系统电源。系统电源电路如图2 4所示，电源供电由J6和J8连接器输入实验箱主 板, 5V电源经过LDO芯片U12稳压输出3.3V电源。另外，主板上设计有模拟电 路，需要一个5V的模拟电源VCC5A它通过5V电源经过滤波得到。模拟地和数 字地是通过0Q电阻进行隔离，以降低噪声干扰。主板

11、上的J1 J5为电源输出接口，可以向用户板提供+12V、-12V、5V和 3.3V电源，但要求负载功率不要过重，也不要与其他电源连接，否则可能导致 器件损坏。2.3按键及LED电路VCC3_ 3RP1010KQVCC3_ 3KEY1 -=CRP11LED1LEDAVCC3KEY21LEDA1LEDBuGreen LEDIf KLED2LEDBGree nLEDKEY14KEY23KEY32KEY41KEY54KEY63KEY72KEY81RP9 220 Q161514131211109KEY31LEDC13.EDDKEY4oKEY5 OKEY6KEY7KEY8_ED4 5ED5 6220 Q1

12、LEDE1LEDF / gI1LEDG?9LEDH/LED3/ LEDC.GreenLED 人LED5LEDE MGreenLED »if vLED7LEDGGree nLEDLED4 LEDD ij Green LED 丿LED6LEDFGreenLED jjK «LED8LEDH «Gree nLED图25按键及LED电路图主板上具有8个独立按键和8个独立LED电路如图25所示，电路中 低电平表示按键按下。低电平点亮LED的压降约为1.7V。LED点亮时的电流(3 31 7)VI led (Vdd Vled )/ R0.00727 A ,即 7.3mA。电路中

13、电阻 RP9 RP10220都是起保护作用的。防止FPGA勺I/O设为输出且为高电平在按键按下时直接对 地短路。核心板上的按键和LED与主板上的一一对应，所用的控制I/O 口也相同。本次实验我们使用的按键分别是 KEY1 KEY2 LED分别使用的是LED1 LED22.4 七段数码管显示电路主板上七段数码管显示电路如图 2 6所示，RP4和RP6是段码上的限流电 阻，位码由于电流较大，采用了三极管驱动。从电路可以看出，数码管是共阳极 的，当位码驱动信号为0时，对应的数码管才能操作；当断码信号为 0时，对应16的段码点亮COM3SEG024I6I81012i,1416SEGSEG21SEG3S

14、EG4SEG5SEG6SEG，1 35-79111315SEG0ISEG12SEG23SEG3iSEG45SEG96seg7sCOM6EG COM1514131211109seg02SEG26seg?8SEG4“seg!)1012SEG6“714-16SEGSEG1 -3579,111315SEG0ISEG12seg23SEG31SEG45SEG55SEG67SEG78DIG COM161514131211109VCC3 3 VCC3 3VCC3 3VCC3 3VCC3 3VCC3 3VCCCK4o主Q1k855K8550 85508550KQ9KQ11 KQ12585503 3VCC311

15、2 4 712 c6KQ13 磴 Q1 8550 8550 R855p4 KQ150 13511 2 4 712 c e - 2 一 - LED13LED92-图2 8七段数码管显示电路第二章设计步骤3.1 设计步骤1）、启动Quartus U建立一个空白工程，设计时可以采用硬件描述语言输 入的方式。2）、将设计好的.bdf或.v文件进行综合编译，荐在编译进程中发现错误， 则打出并更正错误，直至编译成功为止。3）、选择目标器件并对相应的引脚进行锁定， 将未使用的引脚设置为三态输 入。3.2 引脚定义LocationI/O SankIJO Standard1 ksy0PINJZl3LVTTL2呼

16、冋1PIN卍3'LVTTL3-led0PIN 501LVTTL4<led1PIN 531LVTTLSPIFd 212LVTTL&C2pwm 0LitlPIN 2222LVTTL715p7#m out2PIN 2172LVTTL3pwn out3PIN 2162LVTTL3clockPIN Z31LVTTL10妙digP3N 1&23LVTTL11digPINJ&l3LVTTL12*Edig4PIN 21E2LVTTL13<Sdig5PIFd 2162LVTTL14円ZLVTTLladlgpPIFJ 2142LVTTL托tdigflPII 139呂LV

17、TTL17t5eglPI NJ 703LVTTL18心 seg2PIN阴3LVTTL19<#£旳3PINJ&S3LVTTL20seg4PIN 1653LVTTL21硏宾gEPIN囲3LVTTL22妙卿PIN 1&33LVTTL230 segpPirj 1643LVTTL24f>dig0円L1同3LVTTLZ5sRnrniP1FJ自1 VTTI第四章 程序清单module step(clock,key,dig,seg,led,pwm_out);input clock;input1:0 key;output1:0 led;output3:0 pwm_out;o

18、utput7:0 seg,dig;reg3:0pwm_out_r;reg3:0p_out_r;reg23:0count;reg3:0pwm_count;reg3:0cnt4;reg15:0duty_cycle;reg dir;reg mode;reg1:0 dout1,dout2,dout3,buff; /wire1:0 key_edge;wire pwm_clk;wire speed_clk;wire div_clk;/ 系统输入时钟/ 按键输入/LED 指示输出/PWM 输出/ 时钟分频计数器/PWM内部计数器/ 电机步进时序计数器/PWM 占空比控制/ 电机旋转方向控制/ 电机控制模式消

19、抖寄存器/ 按键消抖输出/PWM 计数时钟/ 电机转动速度控制/ 消抖动时钟wire8:1dig; reg8:1seg;/ 时钟分频部分 always(posedge clock) begincount<=count+1'b1;endassigndig=8'b00000000;assignpwm_clk=(count6:0=7'h7f);assigndiv_clk=(count15:0=16'hffff);assignspeed_clk=(count=24'hffffff);/ 按键消抖部分always(posedge clock)beginif(

20、div_clk)begindout1<=key;dout2<=dout1;dout3<=dout2;endend/ 按键边沿检测部分 always(posedge clock)beginbuff<=dout1|dout2|dout3;endassign key_edge=(dout1|dout2|dout3)&buff;/ 按键操作部分always(posedge clock) / beginif(key_edge0)dir<=dir;endalways(posedge clock) / beginif(key_edge1)mode<=mode;en

21、dassign led=mode,dir;/assign pwm_out=mode?pwm_out_r:p_out_r; / always(posedge clock)/begincase(led)2'b00:seg=8'hb0;按键 1按键 2输出LED指示输出模块选择数码管显示2'b01:seg=8'ha4;2'b10:seg=8'hf9;2'b11:seg=8'hc0;endcaseendalways(posedge clock)beginif(speed_clk)beginif(dir=1'b1)cnt4<=

22、cnt4+1'b1;elsecnt4<=cnt4-1'b1;endendalways(posedge clock)beginif(pwm_clk)pwm_count<=pwm_count+1'b1;endalways(posedge clock) begin/ 电机正 /反转控制/PWM波计数器if(pwm_count3:0<duty_cycle15:12)/PWM A通道pwm_out_r3<=1'b1;elsepwm_out_r3<=1'b0;endalways(posedge clock) beginif(pwm_co

23、unt3:0<duty_cycle11:8)PWM B通道pwm_out_r2<=1'b1; elsepwm_out_r2<=1'b0; end always(posedge clock) beginif(pwm_count3:0<duty_cycle7:4)PWM C通道pwm_out_r1<=1'b1; elsepwm_out_r1<=1'b0; end always(posedge clock) beginif(pwm_count3:0<duty_cycle3:0)PWM D通道pwm_out_r0<=1&#

24、39;b1;elsepwm_out_r0<=1'b0;end/ 步进电机控制时序always(posedge clock)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&

25、#39;h1:duty_cycle=16'he600;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'

26、;ha:duty_cycle=16'h00bb;4'hb:duty_cycle=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 总结姓名：付晓会学号： 2为期两周的“EDA技术应用”实训专用周结束了。通过这两周的专用周学习， 加深了我们对EDA知识的学习，掌握了 Quartus U的使用方法，能

27、把所学的知识 结合SmartEDA实验箱得到我们要实现的项目。我们本次的课题是“步进电机细分控制” 。通过自我学习，我们对步进电机 有了一定了了解。 它与普通电机相比它可以实现精确的位置控制， 在驱动脉冲的 控制下可以按规定的速度和角度旋转。 本次实验我们用的是四相步进电机， 步进 电机的相数是指内部的线圈组数， 四相的步进电机有四组线圈， 我们分别用字母 A、B、C、D来表示步进电机的四个线圈。实验要求使用 PWM（Pulse Width Modulatiaon: 脉冲宽度调制，是利用微处 理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术， 广泛应用在从测 量、通信到功率控制与变换的许

28、多领域中） 方法来控制步进电机的驱动和细分旋 转，实现1/4细分（4.5 ° /步）控制盒不细分控制（18° /步）。用KEY1控制步 进电机正/反（由LED1指示状态）；KEY2控制步进电机正常运行/细分运行（由 LED2指示状态）。利用Quartus U完成设计、仿真等工作，最后在SmartEDA实验 箱上进行硬件测试。分析了解了课题后， 我们首先从课题方案着手， 制定了实验规划。 然后策划 工作流程， 确立了实验的走向。 其次我们根据实现目的分析了我们所需要的电路 原理图，我们本次实验所用的电路原理图有：系统电源电路、按键及LED驱动电路和步进电机及驱动电路。我们使用

29、 Protel 99 SE 绘制电路图并分析了电路工 作原理。最后，我们进行软件编程和软、硬件调试。在调试过程中，熟练的掌握 了软、硬件的使用。在整个实训过程中， 我们遇到了很多问题， 但是通过学习， 我们都能一一的 解决。只有在问题中， 我们才能找到自己所欠缺的知识， 从而才能学到更多的知 识。在此次实训中，要感谢龚老师对我人们的细心指导与耐心讲解，谢谢！学号：2姓名：齐 棋两周的EDA专用周结束了，通过这两周的学习与实践我学到了很多东西。老师教导我们要理论联系实践才能更好的掌握并应用知识。在两周的实训中，我们通过对于课题的实践加深了已学习了的EDA的知识，同时也学习到了很多新的关于 EDA

30、的知识与Quartus n的操作流程和技巧。本次我们做的课题是“步进 电机细分驱动控制”，它是使用PWM方法来控制步进电机的驱动和细分旋转，实现1/4细分（4.5 ° /步）控制盒不细分控制 （18° /步）。用KEY1控制步进电机正/反（由LED1指示状 态）；KEY2控制步进电机正常运行/细分运行（由LED2指示状态）。利用Quartus n完成设计、 仿真等工作，最后在 SmartEDA实验箱上进行硬件测试。在对于课题的研究与学习中， 我们了解到步进电机是一种引用非常广泛的机电产品，与普通的电机相比它可以实现精确的位置控制， 在驱动脉冲的控制下可以按规定的速度和角度

31、旋转。当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按规定的方向转动到一个固定 的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲信 号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。 本次我们所运用的为 4相步进电机， 它有单相 4 拍运行方式、双相 4 拍运行方式、双相 8 拍运行方式。在这三种工作方式中， 4 相 6 拍工 作方式电机运行最平稳，但在相同频率脉冲的情况下运转速度比4拍运作方式低一半。确立了课题之后， 我们首先对课题中涉及的不了解的知识进行了学习并确立了此次实验

32、的方案。 分析与整理后我们画出了此次实验的框图， 初步明确了我们实验的流程， 对如何进 行我们的课题有了一个清晰的思路。 同时我们也根据我们实验所需的部分进行了原理图的绘 制，本次我们用到了系统电源电路、按键及LED驱动电路、步进电机及驱动电路。在绘制原理图的同时我们也将 Protel 99 SE 中所学习的知识进行了复习与熟练。之后，我们开始了 对本次课题的内容进行了编程， 将设计好的文件进行综合编译， 找出并改正错误直至编译成 功。最后， 我们进行了软件与硬件的调试，在试验箱上观察所出现的实验现象，根据实验现 象进一步对程序进行更正，直至出现正确的现象。通过这两周的实训更进一步让我对 ED

33、A知识进行了巩固与学习，实践是检验真理的唯一 标准，只有通过实践才能发现我们在理论中所不能发现的问题。在解决问题的过程中感谢龚老师的悉心教导与耐心讲解。这次实训学到了许多课堂上所不能学到的知识。谢谢老师!34ULN20ULN20ULN20ULN2003A03B03C03DVCC5C15R5 95/1WR6 2JP4MBV+BA_ COMMBV+VCCSULN20 03A2ULN20 03B3ULN20 03C4ULN20 03D785621-43-6587COM5STEP COML1C16200 uF/16Vo4R1L0R20IN1OUT1IN2OUT2IN3OUT3IN4OUT4IN5OUT

34、5IN6OUT6IN7OUT7COMMONCLAMPU5ULN20 0 3A16151413121110MBV+5/1WR6 55/1WR6 85/1W附1 步进电机及驱动电路100 uH二二 C17105T6VSSABeBB_ COMLli-VBM MocVCC3 3C2 8J11MOTOR STEPPERBA COMVCC5AJ6VCC5C44104C18104xzC45104143-C192102丄U12SPX11 17-3.3inDNG附2系统电源电路CON4VCC5LED9 PowerJ8 VCC-12CON43.3V800mA VCC3 3IutoVC46C47R13470 QF/

35、1 6V104VCC3 3RP9 220 QKEY1416KEY2315KEY3214KEY4113KEY54KEY6312KEY7210KEY81DO12COM3SEG0Seg1SEG224注&S空。竺12S空4竺161 -3 -5 -7 -9 -11131578RP1010KQRP4KEY1 OKEY2KEY4SEG01SEG12SEG23SEG簿SEG45SEGSEG67SEG78boJooJ0r>16151413J2J1109COMSEG COMSEG02SEG14SEG2；SEG36SEG5；212 SEG614SEG714163579111315SEG01SEG12SEG23SEG34SEG45SEG3BSEG67SEG78DIG COM>1Lf