步进电机细分驱动控制

“EDA技术应用”专用周报告(步进电机细分驱动控制)

系部：电气信息工程系

班级：通信技术11—1

指导老师：龚老师

姓名：齐棋 2

姓名：付晓会 2

摘要

本次课题（步进电机细分驱动控制）要求使用PWM方法来控制步进电机的驱动和细分旋转，实现1/4细分（4.5°/步）控制盒不细分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步进电机正/反（由LED1和数码管指示状态）；KEY2控制步进电机正常运行/细分运行（由LED2和数码管指示状态）。利用QuartusⅡ完成设计、仿真等工作，最后在SmartEDA实验箱上进行硬件测试达到课题要求。

关键词：步进电机 PWM 驱动细分

目录

第一章课题介绍 (1)

1.1 课题目的 (1)

1.2 课题内容 (1)

1.3 课题原理 (1)

1.3.1 4相反应式步进电机的工作方式 (2)

第二章硬件电路 (3)

2.1 步进电机及驱动电路图 (3)

2.1.1 步进电机细分驱动的工作原理 (4)

2.2 系统电源电路 (6)

2.3 按键及LED电路 (7)

2.4 七段数码管显示电路 (7)

第三章设计步骤 (9)

3.1 设计步骤 (9)

3.2 引脚定义 (9)

第四章程序清单 (10)

第五章总结 (17)

附录 (19)

参考文献 (22)

第一章课题介绍

1.1 课题目的

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。

1.2 课题内容

使用PWM方法来控制步进电机的驱动和细分旋转，实现1/4细分（4.5°/步）控制盒不细分控制（18°/ 步）。用KEY1控制步进电机正/反（由LED1和数码管指示状态）；KEY2控制步进电机正常运行/细分运行（由LED2和数码管指示状态）。利用QuartusⅡ完成设计、仿真等工作，最后在SmartEDA实验箱上进行硬件测试。

1.3 课题原理

步进电机是一种应用非常广泛的几点产品，与普通电机相比它可以实现精确的位置控制，在驱动脉冲的控制下可以按规定的速度和角度旋转。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按规定的方向转动到一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲信号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。

步进电机的相数是指其内部的线圈组数，如一个4相的步进电机有4组线圈。下面以4相步进电机为例，说明步进电机的控制。用A、B、C、D来表示步进电机的四个线圈。

1.3.1 4相反应式步进电机的工作方式：

1）单相4拍运行方式

正转时线圈通电顺序为：

反转时线圈通电顺序为：

2）双相4拍运行方式

正转时线圈通电顺序为：

反转时线圈通电顺序为：

3)双相8拍运行方式

正转时线圈通电顺序为：

反转时线圈通电顺序为：

2.1.1 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2——2所示的是四相步进电机4细分驱动的原理。设A 相通电时磁场方向为0°，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（如图2——2所示为1/4图），即可算出位置“1”时的两分量

11sin θR A =,11cos θR B =。同理可以算出22sin θR A =，22cos θR B =，33sin θR A =，33cos θR B =。因此，可算出各相在某一时刻的电流值，把各细分

点的电流参数记录下来，电机运行时以查表的方式取出数据，即可做到细分控制。如图2——3所示为四相双拍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，要相逐渐减小。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PWM 信号占空比，所以可通过调节PWM 信号的占空比来控制电机各相的电流。

图2——2步进电机细分驱动原理

图2——3四相双拍4细分各绕组电流波形图

C15200uF/16V

C16104

C17105

C18104

C19102C47104

C45104

C44104C4610u F/16V

R10R20

R13470Ω

LED9Power

1

234J6CON41234J8CON4L1

100uH

Vin

1

G N D

2

Vout

3U12

SPX1117-3.3

VCC5

VCC5A

VCC5

VCC-12

VCC5

VCC3_3

VCC3_3

VCC-12

3.3V@800m A T6

VSSA