步进电机定位控制系统设计.docx
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步进电机定位控制系统设计
学生学号
课程设计
题目
步进电机定位控制系统设计
学院
信息工程学院
专业
班级
姓名
指导老师
20１3～2０14
学年
6月
２0日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
步进电机定位控制系统设计
初始条件：
1.具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力；
2.熟悉ISE仿真软件的操作与运用；
3.掌握步进电机的工作原理。
要求完成的主要任务:
1.设计一个基于FPGA的4相步进电机定位控制系统，包括步进电机方向设定
电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块。
2.撰写符合学校要求的课程设计说明书。
时间安排：
1、2014年06月11日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2014年06月12日至2014年06月17日，设计说明书撰写。
3、2014年06月18日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
在分析了步进电机工作原理的基础上,提出了步进电机定位控制系统的模块划分和实现方法.以步进电机四相四拍工作方式为例,用Vｅrilog编程在Alterａ公司的FPGA开发系统中实现了各功能模块和显示程序。
在系统仿真的基础上，进行了功能模块的控制实验,实验结果和仿真一致，实现了对步进电机模组的预定控制。
关键词：
步进电机定位控制 Verilog硬件描述语言FPＧA
Abstraｃt
Oｎthe basisoｆanａlｙsinｇstｅppingmoｔor’ｓoｐerａtional princiｐle，ｗepuｔforwaｒｄ moduｌeｓｄivisiｏnanｄrｅalｉziｎgｍetｈｏdofpositｉｏninｇconｔrolsｙstｅm whichｕsｉng ｓteｐpｉngmotoｒ．GｉvｉｎganexamｐｌesuｃｈasｓteｐpｉngmotｏrswhiｃhwoｒkｉnＦoｕr－phａsｅ-ｆour-steｐmode,weuseVeriｌogproｇrａｍming reaｌizedｅveｒyfｏｕndａtioｎａlmoｄuleanｄdiｓpｌay rouｔinｅiｎAlterａ’ｓ FＰGＡ dｅｖeｌｏｐmentｓyｓtem.Ｏnthebａsｉｓofsｙstemsimulation，weconducta coｎtroｌlｉng experiｍentaboｕtfｏundａtioｎalｍｏdｕｌｅs，thereｓults arethe sameaｓ ｓimulation’sresｕlｔs。
Wecarried ｏuｔthｅexpecｔｅd coｎtrolaboｕｔstｅｐpiｎｇmｏtor.
Keｙwｏrd:
stepｐｉngmotｏr poｓitioniｎgcｏｎtrolVHＤLFＰGA
１设计目标及简介
１.１设计目标
设计一个基于FPＧA的4相步进电机定位控制系统。
1。
２步进电机简介
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。
2 VHDL语言介绍
VHDL的英文全名是Ｖery-Higｈ－Speeｄ InｔｅgrａteｄＣｉｒｃuｉtHａrdwarｅDescripｔiｏnＬanｇuａｇe，诞生于１9８2年。
１987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
VHＤL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外,VＨDＬ的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言.VＨDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口）和内部（或称不可视部分）,既涉及实体的内部功能和算法完成部分。
在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。
这种将设计实体分成内外部分的概念是ＶHDL系统设计的基本点。
VＨＤＬ语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点.归纳起来，VHDL 语言主要具有功能强大，设计方式多样；硬件描述能力强大；具有很强的移植能力;设计描述与器件无关程序易于共享和复用等优点。
3ＱuaｒtｕsⅡ介绍
QuartusII是Aｌｔeｒa公司的综合性ＰLＤ/FＰGA开发软件，支持原理图、VＨDL、ＶerilogＨDL以及AHＤL（Altｅｒa HardwareDeｓcｒiption Lａnguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PＬD设计流程。
Qｕａrtｕｓ IＩ可以在ＸP、Lｉｎux以及Uniｘ上使用，除了可以使用Tｃl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。
具有运行速度快,界面统一，功能集中，易学易用等特点。
Qｕarｔus ＩI提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括:
可利用原理图、结构框图、VeｒilogHDL、AHDL和VＨDL完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；芯片（电路）平面布局连线编辑；LogicLoｃk增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块;功能强大的逻辑综合工具;完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具;定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用ＳｉgｎalTapII逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建,并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具;可读入标准的EDIＦ网表文件、ＶHDL网表文件和Veriloｇ网表文件;能生成第三方EDＡ软件使用的VHDＬ网表文件和Verｉlog网表文件。
４ 系统组成
4.1 四相步进电机工作原理
步进电机是利用数字信号控制的电机装置，步进电机每次接收到一组脉冲数字信号,便旋转一个角度,称为步进角。
不同规格的步进电机的步进角不同，与电动机内部的线圈数量有关。
线圈中的供应电流决定线圈所产生的磁场方向。
４相步进电机有两组线圈A和B,如图4.1所示，A、B两组垂直摆放线圈的电流方向的排列组合,最多可以产生8种磁场方向,分别是0º、45º、90º、135º、１80º、２25º、２70º、３1５º。
图4.1四相步进电机
由表４.１可以知,假设电动机转子刻度在0º的位置，想让其转180º，可以使端口信号依次按０0０１,001１，00１0，01１0到010０变化。
注意：
四相电动机有1相激磁法、２相激磁法和１-２相混合激磁法3种激磁方式。
不同的激磁方式，端口信号的顺序是不同的。
表4．1四相步进电机的8个方向和电流以及电压信号的关系
该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电.只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
图４。
2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图４.2四相步进电机步进示意图
开始时,开关SB接通电源,ＳA、SＣ、ＳD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、４号齿就和Ｃ、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和Ｄ、Ａ相绕组磁极产生错齿.
当开关SＣ接通电源,ＳＢ、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动，1、４号齿和C相绕组的磁极对齐。
而０、３号齿和A、B相绕组产生错齿，2、５号齿就和Ａ、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、Ｂ、C、Ｄ四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动.
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。
四相四拍运行方式即ＡB-BC—CD－DＡ—AＢ，四相八拍运行方式即A—AB-B－BC—C－ＣＤ－D-ＤＡ－A。
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4。
３的a、b、c所示。
图4。
3a单四拍 图4。
3b双四拍 图4。
３ｃ八拍
4.2系统组成
图4。
4系统组成
5模块设计
5．１FPＧA模块图及信号说明
图５。
1FPGA模块图
rｅset：
系统内部复位信号,’1’时有效；
dir:
步进电机正反转的方向控制开关,0:
逆时针,１:
顺时针；
clk:
由FＰGA内部提供的4MHz的时钟信号；
ini:
赋初值的使能开关，’0’时有效；
manner:
激磁方式的选择开关（两位）,０0:
自动检测角度输入,决定激磁方式0１:
1—相激磁；1０:
2。
相激磁；11：
1-2。
相激磁．
aｎgｌe:
步进角的倍数设定输入键。
baｂa：
将内部计数器的couｎt[3 ｄoｗnｔo０]的数值编码输出
5。
２系统模块构成
系统主要由步进电机方向设定电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块构成。
前两个模块完成电机旋转方向设定，激磁方式设定和定位角度的换算等工作,后一个模块用于对换算后的角度量编码输出。
5.3各模块间整体共享的电路内部传递信号
ｃouｎt：
内部电路计数累加器,用来产生输出所需对应的状态;
cntiｎc：
设定累加器所需的累加/减计数值；
ｓntｉni：
设定累加器所需的计数初值；
ａngledncouｎt:
设定步进角所需处理的次数；
Ａnｇlｅdｎcｎｔdeｃ:
设定步进角所需累减计数值;
５．4电机方向设定电路模块
该模块设定了步进电机的旋转方向以及电机在任一方向上所需的初值与累加/减值。
dir为0时，步进电机工作于逆时针旋转模式，累加值为正数.
ｍaｎner选择激磁方式00、0１、10、11分别对应默认激磁方式、1-相激磁方式、2.相激磁方式和１-2.相激磁方式。
如表5.1.
manner
ｃntinｉ
cntiｎc
anｇledncnｔdec
0０
aｎｇｌｅ=２ｎ+1时–１
angｌe=2n时0
2
2
01
0
2
２
10
-1
2
2
11
0
1
１
表5．1dir为0时
dｉr为1时,步进电机工作于顺时针旋转模式，累加值为负数。
mannｅｒ选择激磁方式０0、０1、１０、11分别对应默认激磁方式、1—相激磁方式、2.相激磁方式和１—2.相激磁方式。
如表5．2。
mａnnｅr
cntini
cnｔinc
anｇleｄncnｔｄｅc
0０
anｇle＝2n+1时–１
ａngle=２n时0
—2
2
01
0
—2
２
１0
—1
—２
２
11
０
—1
１
表5.２ｄir为1时
5。
５步进电机步进移动与定位控制模块
该模块的主要功能是利用赋初值ini将数值传到该模块中并配合输入的clk作为同步控制信号，进行步进电机的步进移动与定位控制。
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