步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)論文

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1、“EDA技術(shù)應(yīng)用”專(zhuān)用周報(bào)告(步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制)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(lái)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QuartusⅡ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(cè)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1

2、1.3.14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(lái)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

3、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QuartusⅡ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(cè)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(chēng)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^(guò)控制脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確

4、定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)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(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的控制。用A、B、C、D來(lái)表示步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈。231.3.14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DDCCBBA3)雙相8拍運(yùn)行方式正轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈ABBBCCCDDDA

5、反轉(zhuǎn)時(shí)線圈通電順序?yàn)椋篈ADDDCCCBBBA23第二章硬件電路2.1步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路圖圖2——1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2——1所示，電路中采用了達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A來(lái)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2——1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(cè)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。232.

6、1.1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(guò)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，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(chǎng)成為按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，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(guò)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(guò)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：①電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時(shí)每次變化的角度要均勻；②電流合成矢量的大小或幅值要保持不變。如圖2——2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

7、場(chǎng)方向?yàn)?°，如果以A相或B相單獨(dú)通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小為半徑（設(shè)半徑為R）畫(huà)圓（如圖2——2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)刻的電流值，把各細(xì)分點(diǎn)的電流參數(shù)記錄下來(lái)，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2——3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

8、信號(hào)來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)控制電機(jī)各相的電流。23圖2——2步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理圖2——3四相雙拍4細(xì)分各繞組電流波形圖232.2系統(tǒng)電源電路圖2—4系統(tǒng)電源電路圖主板使用了一塊專(zhuān)門(mén)的電源板進(jìn)行供電，電源板所提供的電源有+5V、+12V以及-12V，