四相步进电机定位控制系统

四相步进电机定位控制系统

四相步进电机定位控制系统功能概述

步进电机每接收到一组脉冲数字信号，便旋转一个角度，成为步进角。不同规格的步进电机的步进角不同，这决定于其内部的线圈数量。线圈中的供应电流可以决定线圈所产生的磁场方向。假设有两组线圈A 和B ，如图一所示。A 线圈如果提供A 点低电位而A ′点高电位，电流由A ′螺旋向上流到A ，形成向上的磁场方向；同理，提供B 点低电位而B ′点高电位，电流由B ′螺旋流到B ，形成向左的磁场方向。A 和B 这两组线圈形成的总磁场方向即为左上方。

如果将电动机的转子置于线圈所产生的磁场中，便会受到磁场的作用而产生与磁场方向一致的力，转子便开始转动，直到转子的磁场方向与线圈的磁场方向一致为止。如图二所示。由A 和B 两组线圈电流方向的排列组合，最多可以产生8种磁场方向，分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。这些方向的电流方向列于表一。

图一 图二

由表一可知，假设电动机转子刻度原先在0°的位置，想让其转到180°，就必须让端口信号依次由0001、0011、0010、0110到0100变化。但是是否有更快的办法，是否一定要经过4个信号过程呢？其实有更快更省电的方式让电动机从0°达到180°的位置。这就是所谓的激磁方式的不同。四相电动机可以分为3种激磁方式。

表一：四相步进电机的8个方向和电流以及电压信号的关系

180°270°

1-相激磁法：当目标角度是90的整数倍时，采用这种方法。例如要从0转到270，只要让端口信号的顺序为0000，0001，0010，0100，1000即可。

2-相激磁法：当目标角度是45而非90的整数倍时，可采用这种方法。例如要从0转到225，只要让端口信号的顺序为0000，0011，0110，1100即可。

1-2-相混合激磁法：按照表二中所列的信号顺序。

四相步进电机定位控制系统的VHDL源码及注释

--四相步进电机示例程序

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use IEEE.std_logic_arith.all;

use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity step_motor is

port (reset:in STD_LOGIC; --系统复位信号

dir: in STD_LOGIC; --步进电机正反转方向控制开关（0：逆时针；1：顺时针）clk: in STD_LOGIC; --系统时钟（FPGA内部提供的4MHz的时钟信号）

ini: in STD_LOGIC; --使能开关

manner: in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); --激磁方式的选择开关（00：自动选择激磁方式；--01：1-相激磁；10：2-相激磁；11：1-2-相激磁）angle: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0); --步进角的倍数设定输入键

baBA: out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)); --步进电机的状态输出

end step_motor;

architecture stepmotor_arch of step_motor is

signal count: INTEGER range 0 to 7; --内部电路的计数累加器，用于产生输出所需对应的状态

signal cntInc: INTEGER range -2 to 2; --设定累加器所需的累加/减计数值

signal cntIni: INTEGER range -1 to 0; --设定累加器所需的计数初值

signal angleDnCount: INTEGER range 255 downto 0; --设定步进角所需的计数次数signal angleDnCntDec: INTEGER range 2 downto 1; --设定步进角所需的累减计数值begin

--步进电机方向设定电路模块

该模块的功能是设定步进电机的旋转方向（顺时针或逆时针），并设定电机在顺时针转动或逆时针转动时所需的初值与累加/减值。

process(dir,manner,angle)

begin

if dir='0' then

case manner is

when "01" => --1-相激磁

cntIni<=0;

cntInc<=2;

angleDnCntDec<=2;

when "10" => --2-相激磁

cntIni<=-1;

cntInc<=2;

angleDnCntDec<=2;

when "11" => --1-2-相激磁

cntIni<=0;

cntInc<=1;

angleDnCntDec<=1;

when others => --自动选择激磁方式

--angle为偶数即角度为90的倍数时，采用1-相激磁，否则2-相激磁if (angle(0)='1') then --2-相激磁

cntIni<=-1;

cntInc<=2;

angleDnCntDec<=2;

else --1-相激磁

cntIni<=0;

cntInc<=2;

angleDnCntDec<=2;

end if;

end case;

else

case manner is

when "01" => --1-相激磁

cntIni<=0;

cntInc<=-2;

angleDnCntDec<=2;--"10";

when "10" => --2-相激磁

cntIni<=-1;

cntInc<=-2;

angleDnCntDec<=2;--"10";

when "11" => -- 1-2-相激磁

cntIni<=0;

cntInc<=-1;

angleDnCntDec<=1;--"01";

when others => --自动选择激磁方式

if (angle(0)='1') then --2-相激磁

cntIni<=-1;

cntInc<=-2;

angleDnCntDec<=2;

else --1-相激磁

cntIni<=0;

cntInc<=-2;

angleDnCntDec<=2;

end if;

end case;

end if;

end process;