四相步进电机定位控制系统.docx

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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

磁场方向

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

电流方向

A线圈

B线圈

A→A′

A→A′

0

A←A′

A←A′

A←A′

0

A→A′

0

B→B′

B→B′

B→B′

0

B←B′

B←B′

B←B′

端口信号

0001

0011

0010

0110

0100

1100

1000

1001

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。

表二：

四相步进电机3种不同激磁方式对应提供的端口信号

磁场方向

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

端口信号

0001

0011

0010

0110

0100

1100

1000

1001

1-相激磁

√

√

√

√

2-相激磁

√

√

√

√

1-2-相激磁

√

√

√

√

√

√

√

√

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

libraryIEEE;

useIEEE.std_logic_1164.all;

useIEEE.std_logic_arith.all;

useIEEE.std_logic_unsigned.all;

entitystep_motoris

port（reset:

inSTD_LOGIC;--系统复位信号

dir:

inSTD_LOGIC;--步进电机正反转方向控制开关（0：

逆时针；1：

顺时针）

clk:

inSTD_LOGIC;--系统时钟（FPGA内部提供的4MHz的时钟信号）

ini:

inSTD_LOGIC;--使能开关

manner:

inSTD_LOGIC_VECTOR（1downto0）;--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:

inSTD_LOGIC_VECTOR（7downto0）;--步进角的倍数设定输入键

baBA:

outSTD_LOGIC_VECTOR（3downto0））;--步进电机的状态输出

endstep_motor;

architecturestepmotor_archofstep_motoris

signalcount:

INTEGERrange0to7;--内部电路的计数累加器，用于产生输出所需对应的状态

signalcntInc:

INTEGERrange-2to2;--设定累加器所需的累加/减计数值

signalcntIni:

INTEGERrange-1to0;--设定累加器所需的计数初值

signalangleDnCount:

INTEGERrange255downto0;--设定步进角所需的计数次数

signalangleDnCntDec:

INTEGERrange2downto1;--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

ifdir='0'then

casemanneris

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;

whenothers=>--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;

endif;

endcase;

else

casemanneris

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";

whenothers=>--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;

endif;

endcase;

endif;

endprocess;

--步进电机步进移动与定位控制电路模块

该模块的主要功能是利用ini（使能开关），将数值传到该模块中，并配合输入的clk（系统时钟）作为同步控制信号，进行步进电机的步进移动与定位控制。

counting_reset:

process（reset,ini,angle,clk）

begin

ifreset='1'then--复位低电平有效

count<=0;

angleDnCount<=0;

elsifclk'eventandclk='1'then

ifini='0'then--使能高电平有效

count<=0+cntIni;

angleDnCount<=CONV_INTEGER（angle）;

else

count<=count+cntInc;

ifangleDnCount>angleDnCntDecthen--判断是否已到达设定位置

angleDnCount<=angleDnCount-angleDnCntDec;

else

angleDnCount<=0;

endif;

endif;

endif;

endprocess;

--编码输出电路模块

该模块的功能是将count与angledncount产生的数值经过编码，并利用baBA输出连线信号，将结果输出显示。

baBA<="0000"whenangleDnCount=0else

"0001"whencount=0else

"0011"whencount=1else

"0010"whencount=2else

"0110"whencount=3else

"0100"whencount=4else

"1100"whencount=5else

"1000"whencount=6else

"1001";--whencount>=7;

endstepmotor_arch;

四相步进电机定位控制系统的模块图

四相步进电机定位控制系统的仿真结果

⑴自动模式，顺时针，旋转角为45*11的情况：

⑵自动模式，顺时针，旋转角为45*16的情况：

⑶1-相激磁，逆时针，旋转角为45*7的情况：

⑷1-相激磁，顺时针，旋转角为45*7的情况：

⑸2-相激磁，逆时针，旋转角为45*17的情况：

⑹2-相激磁，逆时针，旋转角为45*17的情况：

⑺1-2-相激磁，顺时针，旋转角为45*11的情况：

⑻1-2-相激磁，顺时针，旋转角为45*8的情况：

直流电机速度控制系统

直流电机速度控制系统功能概述

驱动电路称为桥式驱动或是H型驱动电路（如右图所示），采用的控制方法称为脉冲宽度调制法（PWM），即利用晶体管on-off（导通-不导通）进行控制的方法。

使用FPGA纯数字式的控制时，假设电机速度从静止开始加速，首先Q1、Q2必须维持导通一段时间，此时电机所承受的电压约为供电电压U，称之为强加速。

待速度接近目标速度时，加速可以减缓，此时Q1、Q2和Q3、Q4轮流导通，只是Q1、Q2在一个周期内所导通的时间ton比Q3、Q4导通的时间toff长一些，此时称为弱加速。

任何时候，电机所承受的平均电压U0可表示为U0=U*（ton－toff）（ton＋toff）。

如果速度已经达到目标，便可以调整ton和toff的时间比例使之相等，此时平均电压为零，称为定速控制。

由此可知，平均电压若为正值，是加速控制；负值时是减速控制；为0时即达到匀速。

当然，还涉及到确定电机目前的速度是多少，比目标速度快还是慢，也就是速度检测的问题，常用的办法是光遮断法，在此就不再论述了。

在程序仿真时只简单的输入固定的速度模拟一下。

直流电机速度控制系统的VHDL源码及注释

libraryIEEE;

useIEEE.std_logic_1164.all;

useIEEE.std_logic_arith.all;

useIEEE.std_logic_unsigned.all;

entitymotorctrlis

port（clk:

inSTD_LOGIC;--FPGA内部提供的4MHZ的时钟信号

reset:

inSTD_LOGIC;--系统内部自复位信号

speed_now:

inSTD_LOGIC_VECTOR（7downto0）;--速度检测编码器检测到的当前速度

target_speed:

inSTD_LOGIC_VECTOR（7downto0）;--设定电机预定达到的目标速度

th_speed:

inSTD_LOGIC_VECTOR（7downto0）;--设定电机进入弱加速时的临界速度差值

pwme:

outSTD_LOGIC）;--脉宽调制的输出，负责控制电机转动的信号

end;

architecturemotorctrl_archofmotorctrlis

--definethesignal_structureandflowofthedevice定义内部信号

signalcnt125:

INTEGERrange0to124;--125个时钟的计数器

signalcnt375:

INTEGERrange0to374;--375个时钟的计数器

signalcnt500:

INTEGERrange0to499;--500个时钟的计数器

signaldth:

STD_LOGIC_VECTOR（7downto0）;--设定电机进入弱加速时的临界值（dth=target_speed-th_speed）

signalpwm:

STD_LOGIC;--负责产生脉宽调制的信号，提供正确的输出

--相位类型，负责产生正反转两种状态信号，用来控制电机的加速和减速

phase有2种状态：

状态0：

phase<=phb1，电机正转（加速状态）；

状态1：

phase<=phb2，电机反转（减速状态）。

typephase_typeis（phB1,phB2）;

signalphase:

phase_type;

--------------------------------------------

--速度类型，负责产生加速、弱加速、减速与定速4种状态信号，以控制电机的转速

speeding4种状态：

状态0：

speeding<=upa，电机进行加速动作；

状态1：

speeding<=upb，电机进行弱加速动作；

状态2：

speeding<=dn，电机进行减速动作；

状态3：

speeding<=final，电机进行定速动作；

typespeeding_typeis（UPA,UPB,Dn,final）;

signalspeeding:

speeding_type;

-----------------------------------------------

begin

--速度控制模块

该模块实现下列的控制功能：

1）如果speed_now=target_speed，则定速控制，即ton=toff=ktclk，on-off的时间均等于clk的k倍周期时间；

2）如果speed_now>=target_speed–th_speed，则进行弱加速控制，ton=（3/4）ktclk,toff=（1/4）ktclk；

3）如果speed_now

4）如果speed_now>target_speed，则减速控制，ton=（1/4）ktclk,toff=（3/4）ktclk；

另外，方向控制通过将pwme信号的输出反向。

根据上面的分析，需要3个分频器，分别产生ktclk，（1/4）ktclk和（3/4）ktclk的周期信号。

假设时钟周期tclk为10MHz，电机频率为20kHz，因此k=10MHz/20kHz=500，（1/4）k=125，（3/4）=375，这也就是定义cnt125，cnt375，cnt500三个计数器的原因。

peeding_machine:

process（reset,clk）

begin

ifreset='1'then--复位高电平有效

speeding<=UPA;

dth<="00000000";

elsif（clk'eventandclk='1'）then

dth<=target_speed-th_speed;--弱加速的临界值

casespeedingis--速度控制状态机

whenUPA=>--情况1

if（speed_now=target_speed）then

speeding<=final;

elsif（speed_now>target_speed）then

speeding<=Dn;

elsif（speed_now

speeding<=UPA;

elsif（speed_now>=dth）and（speed_now

speeding<=UPB;

endif;

whenUPB=>--情况2

if（speed_now=target_speed）then

speeding<=final;

elsif（speed_now

speeding<=UPA;

elsif（speed_now>=dth）and（speed_now

speeding<=UPB;

elsif（speed_now>target_speed）then

speeding<=Dn;

endif;

whenDn=>--情况3

if（speed_now=target_speed）then

speeding<=final;

elsif（speed_now

speeding<=UPA;

elsif（speed_now>target_speed）then

speeding<=Dn;

elsif（speed_now>=dth）and（speed_now

speeding<=UPB;

endif;

whenfinal=>--情况4

if（speed_now>target_speed）then

speeding<=Dn;

elsif（speed_now>=dth）and（speed_now

speeding<=UPB;

elsif（speed_now=target_speed）then

speeding<=final;

elsif（speed_now

speeding<=UPA;

endif;

whenothers=>

null;

endcase;

endif;

endprocess;

--相位控制模块

该模块具有下列控制功能：

1）如果希望正向转动（即Q1，Q2导通），则使用状态0：

phb1；

2）如果希望反向移动（即Q3，Q4导通），则使用状态1：

phb2；

上面的速度设定模块只是对有关的输入信号进行判断，告知FPGA用何种模式进行速度控制，并不产生输出信号（pwm）。

因此，必须设计第二个状态判别器“phase”，负责计数与产生pwm（脉宽调制）信号。

phase相位控制器的设计原理如下：

phb1状态为Q1，Q2开启（即pwme=1），而Q3，Q4关闭（即pwme=0）的状态，phb2状态为Q1，Q2关闭，而Q3，Q4开启。

三极管的开关时间依据所激活的计数器而定。

phase_machine:

process（reset,clk）

begin

ifreset='1'then--复位高电平有效

cnt500<=0;

cnt375<=0;

cnt125<=0;

pwm<='0';

pwme<='0';

phase<=phB1;

elsif（clk'eventandclk='1'）then

pwme<=pwm;

casephaseis

whenphB1=>

if（speeding=UPA）then

cnt375<=374;

cnt125<=124;

cnt500<=499;

pwm<='1';--加速状态pwm恒为1，不用计数器

elsif（speeding=UPB）then

cnt500<=499;

cnt375<=cnt375-1;

cnt125<=124;

pwm<='1';--弱加速状态pwm输出为1是375个时钟，0为125个时钟

elsif（speeding=Dn）then

cnt500<=499;

cnt375<=cnt375-1;

cnt125<=124;

pwm<='0';--减速状态pwm输出0是375个时钟，1为125个时钟

elsif（speeding=final）then

cnt500<=cnt500-1;

cnt375<=374;

cnt125<=124;

pwm<='1';--匀速状态下，pwm输出1和0的时间均为500个时钟

else

cnt500<=0;

cnt375<=0;

cnt125<=0;

pwm<='0';

endif;

if（cnt375=0orcnt500=0）then--计数器记满后，相位转换

cnt500<=499;

cnt375<=374;

phase<=phB2;

endif;

whenphB2=>

if（speeding=UPA）then

cnt375<=374;

cnt125<=124;

cnt500<=499;

pwm<='1';

elsif（speeding=UPB）then

cnt500<=499;

cnt375<=374;

cnt125<=cnt125-1;

pwm<='0';

elsif（speeding=Dn）then

cnt500<=499;

cnt375<=374;

cnt125<=cnt125-1;

pwm<='1';

elsif（speeding=final）then

cnt500<=cnt500-1;

cnt375<=374;

cnt125<=124;

pwm<='0';

else

cnt500<=