基于FPGA的步进电机细分控制

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。

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指导老师：系主任：

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. 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. 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

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

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

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）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) & buff;

//按键操作部分

always @(posedge clock) //按键1，控制电机正反转

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)