EDA步进电机的控制用报告.doc

湖南涉外经济学院 课程设计报告 课程名称：EDA技术及实例开发教材 报告题目：步进电机控制 学生姓名：王海缘 所在学院：信息科学与工程学院 专业班级：自动化1101 学生学号：11430523150831 指导教师：高金定 2014年6月16日 目 录 一、设计任务 1 二、步进电机简介 1 三、硬件设计 2 四、软件设计 5 五、实验结果 5 六、开发工具 6 七、参考文献 6  一、设计任务 实验目的 学习使用FPGA实现步进电机的驱动和细分控制，了解步进电机细分控制的原理。 实验内容 使用PWM方法来控制步进电机细分旋转，实现1/4细分（4.5°/步）控制和不细分（18°/步）。并在实验箱上设计一个步进电动机的控制器，用KEY1控制步进电机正/反转（由LED1指示状态）；KEY2控制电机正常运行/细分运行（由LED2指示状态）；用KEY3控制步进电机的启停。利用Quartus II完成设计、仿真等工作，最后在Smart SOPC 实验箱上进行硬件测试。 二、步进电机简介 步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角），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。 反应式步进电机又称：感应式、磁滞式、磁阻式步进电动机 ；定子和转子均为软磁材料；通电后利用磁导的变化产生转矩 ；可实现大转矩输出、步距角 小（最小可做到10度）；断电时无定位转矩 ；电机内阻尼较小 ；单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长 ；启动和运行频率较高 。 步进电机的启动 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声其原因是步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电机工作原理 1）.四相反应式步进电机的工作方式 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。 （1）单四拍工作方式。四相反应式步进电机各相为A、B、C、D。如果换相方式为A→B→C→D→A，则电流切换四次，即换相四次，磁场就会旋转一周，同时转子转动一个齿距。所谓“单”就是指每次对单相通电；“四拍”是指换相四次磁场旋转一周，转子转动一个齿距。 （2）双四拍工作方式。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，转子移动一个齿距位置，则成为双四拍工作方式。在四拍工作方式中，每拍通电的相磁极和转动情况为AB→BC→CD→DA→AB。 （3）八拍工作方式。对四相反应式步进电机进行控制时，把单四拍和双四拍工作方式结合起来，就产生了八拍工作方式。在八拍工作方式中，每拍通电的相磁极和转动情况为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→AB 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a、b、c所示： a. 单四拍????????????????????? ?????? b. 双四拍?????????????????????????? ?? c八拍 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，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歩距旋转的磁场，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。 如下图A所示的是四相步进电机4细分驱动的原理。设A