EDA步进电机控制应用.docx
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EDA步进电机控制应用.docx
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EDA步进电机控制应用
湖南涉外经济学院
课程设计报告
课程名称:
EDA技术及实例开发教材
报告题目:
步进电机控制
学生姓名:
王海缘
所在学院:
信息科学与工程学院
专业班级:
自动化1101
学生学号:
11430523150831
指导教师:
高金定
2014年6月16日
一、设计任务1
二、步进电机简介1
三、硬件设计2
四、软件设计5
五、实验结果5
六、开发工具6
七、参考文献6
一、设计任务
实验目的
学习使用FPGA实现步进电机的驱动和细分控制,了解步进电机细分控制的原理。
实验内容
使用PWM方法来控制步进电机细分旋转,实现1/4细分(4.5°/步)控制和不细分(18°/步)。
并在实验箱上设计一个步进电动机的控制器,用KEY1控制步进电机正/反转(由LED1指示状态);KEY2控制电机正常运行/细分运行(由LED2指示状态);用KEY3控制步进电机的启停。
利用QuartusII完成设计、仿真等工作,最后在SmartSOPC实验箱上进行硬件测试。
二、步进电机简介
步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲:
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角),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。
反应式步进电机又称:
感应式、磁滞式、磁阻式步进电动机;定子和转子均为软磁材料;通电后利用磁导的变化产生转矩;可实现大转矩输出、步距角
小(最小可做到10度);断电时无定位转矩;电机内阻尼较小;单步运行(指脉冲频率很低时)震荡时间较长;启动和运行频率较高。
步进电机的启动
步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声其原因是步进电机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
步进电机工作原理
1).四相反应式步进电机的工作方式
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。
(1)单四拍工作方式。
四相反应式步进电机各相为A、B、C、D。
如果换相方式为A→B→C→D→A,则电流切换四次,即换相四次,磁场就会旋转一周,同时转子转动一个齿距。
所谓“单”就是指每次对单相通电;“四拍”是指换相四次磁场旋转一周,转子转动一个齿距。
(2)双四拍工作方式。
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,转子移动一个齿距位置,则成为双四拍工作方式。
在四拍工作方式中,每拍通电的相磁极和转动情况为AB→BC→CD→DA→AB。
(3)八拍工作方式。
对四相反应式步进电机进行控制时,把单四拍和双四拍工作方式结合起来,就产生了八拍工作方式。
在八拍工作方式中,每拍通电的相磁极和转动情况为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→AB
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a、b、c所示:
a.单四拍 b.双四拍 c八拍
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,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歩距旋转的磁场,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。
如下图A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相或者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A所示为1/4图),即可算出位置“1”时的两分量A1=Rsinθ1,B1=RCOSθ1。
同理可以算出A2=Rsinθ2,B2=RCOSθ2;A3=Rsinθ3,B3=RCOSθ3。
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B所示为四相双四拍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,一相逐渐减小。
对应一个歩距角,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信号的占空比,所以通过调节PWM信号的占空比来控制电机各相的电流。
A相波形
图1四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。
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转,相反,当电机绕组通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。
三、硬件设计
1.USB接口电路
USB接口电路采用PDIUSBD12芯片,PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件,符合USB2.0FullSpeed规范。
电路中,C51,C52必须分别为68PF和22PF,否则可能造成PDIUSBD12工作时钟不正常。
串联在D+和D-上的磁珠型号为CBG201209U151B,且串联了一个18Ω的匹配电阻。
电路中的COM11(USB_COM)是对外的逻辑分析仪测试点及接口。
这些信号没有连接到核心板的控制引脚上,使用时必须进行连线控制。
2.步进电机电路
在步进电机电路中,采用了达林顿管驱动芯片ULN2003A来驱动四相步进电机,只要正确输出I/O控制时序,即可控制步进电机转动。
图中,电阻R59,R62,R65以及R65为电机线圈上得限流/保护电阻。
使用步进电机电路时,要将电源跳线JP4短接。
电路中的COM5(STEP_COM)是对外的逻辑分析仪测试点以及接口。
这些信号都以及连接到相应的引脚上,使用时不需要进行连线控制。
ULN2003A
ULN2003A芯片介绍
ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片,其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。
ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA,饱和压降VCE约1V左右,耐压BVCEO约为36V。
输出电流大,故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件,也可直接驱动低压灯泡。
ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性,并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。
每对达林顿管的额定集电极电流是500mA,达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。
ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7kΩ的电阻,可直接与TTL或5VCMOS器件连接ULN2003A的输出结构是集电极开路的,所以要在输出端接一个上拉电阻,在输入低电平的时候输出才是高电平。
在驱动负载的时候,电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。
ULN2003是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。
经常在以下电路中使用,作为:
1、显示驱动;2、继电器驱动;3、照明灯驱动;4、电磁阀驱动;5、伺服电机、步进电机驱动等电路中。
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据;ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003A引脚图及功能
下图为ULN2003A内部电路图
ULN2003A部分参数:
集电极-发射极电压:
50V钳位二极管的反向电压:
50V
输入电压:
30V峰值集电极电流:
500mA
输出钳位电流:
500mA共发射极端子电流:
–2.5A
储存温度范围:
–65℃--150℃
3.电源电路
核心板上有两种供电方式:
(1)当核心板与主板一起使用时,主板上5V电源通过接口给核心板供电;
(2)当核心板单独使用时,要用户通过CZ1外接5V电源。
电源电路如下图。
3.3V电源直接由主板提供的5V电源经过3.3VLDO芯片SPX1117-3.3,并且滤波以后得到。
3.3V用于给FPGA所有I/O口、核心板上存储电路、串行配置器件、复位电路、和LED等供电。
注意,3.3V供电能力最大为800mA,用户在PACK上扩展外设时要注意功耗要求。
1.5V电源由主板提供的5VLDO芯片SPX1117-1.5并且滤波以后得到。
1.5V只提供给FPGA的内核(VCCINT)以及PLL。
4.按键及LED电路
主板上具有8个独立按键和8个独立LED,电路如图,电路中低电平表示按键按下。
低电平点亮LED,一般LED的压降约为1.7V。
LED点亮时的电流ILED=(VDD—VLED)/R=(3.3-1.7)V/220Ω=0.00727A,即7.3MA。
电路中电阻RP9,RP10都是起保护作用的,防止FPGA的I/O设为输出且为高电平在按键按下时直接对地短路。
核心板上的按键和LED与主板上的一一对应。
5.实时时钟电路
实时时钟芯片采用的是I2C接口的CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563T,它提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递,最大总线速度为400kbps,每次读/写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。
由于核心板上的I2C总线已经提供了上拉电阻,所以此处没有在加上拉电阻。
PCF8563T的CLKOUT以及INT都是开漏输出,所以都需要加上拉电阻。
电路中的COM16(I2C_COM)是对外的逻辑分析仪测试点及接口。
这些信号都已经连接到相应的引脚上,使用时不需要进行连线控制。
四、软件设计
libraryieee。
useieee.std_logic_1164.all。
useieee.std_logic_unsigned.all。
entitymotoris
port(
clk:
instd_logic。
dir:
instd_logic。
en:
instd_logic。
speed:
instd_logic。
outt:
outstd_logic_vector(3downto0)
)。
endmotor。
architectureex1ofmotoris
signaloutreg:
std_logic_vector(3downto0)。
signalclk1:
std_logic。
signalclk2:
std_logic。
begin
outt<=outregwhenen='1'else
x"0"。
process(clk)
begin
ifclk'eventandclk='1'then
clk1<=notclk1。
endif。
endprocess。
process(clk,clk1,speed)
begin
ifspeed='1'then
clk2<=clk。
else
clk2<=clk1。
endif。
endprocess。
process(clk2)
begin
ifclk2'eventandclk2='1'then
ifdir='1'then
caseoutregis
when"0101"=>outreg<="0100"。
when"0100"=>outreg<="0110"。
when"0110"=>outreg<="0010"。
when"0010"=>outreg<="1010"。
when"1010"=>outreg<="1000"。
when"1000"=>outreg<="1001"。
when"1001"=>outreg<="0001"。
when"0001"=>outreg<="0101"。
whenothers=>outreg<="0101"。
endcase。
else
caseoutregis
when"0101"=>outreg<="0001"。
when"0001"=>outreg<="1001"。
when"1001"=>outreg<="1000"。
when"1000"=>outreg<="1010"。
when"1010"=>outreg<="0010"。
when"0010"=>outreg<="0110"。
when"0110"=>outreg<="0100"。
when"0100"=>outreg<="0101"。
whenothers=>outreg<="0101"。
endcase。
endif。
endif。
endprocess。
endex1。
五、仿真结果
1)锁引脚
2)编译
3)选通道及下载
六、开发工具
1.FPGA实验箱
2.计算机
3.Protel99SE
4.QuartusII9.0(32-Bit)
七、参考文献
课本EDA实验与实践
EDA技术及实例开发教程
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- EDA 步进 电机 控制 应用