基于FPGA的步进电机细分控制.doc

河南工程学院

实习报告

专业电子科学与技术
班级
姓名
年月日

实习（训）报告评语

等级：
评阅人：职称：
年月日
河南工程学院
实习（训）报告

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。

实习地点：
实习单位：

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