步进电机定位系统设计.docx

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步进电机定位系统设计

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

通信1104班

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

题目:

步进电机定位控制系统设计

　　初始条件：

　　FPGA芯片（型号不限），仿真工具不限。

　要求完成的主要任务:

（1）主要任务

设计一个基于FPGA的4相步进电机定位控制系统。

（2）设计要求

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

　　　指导教师签名：

年月日

　　系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

2步进电机定位系统设计2

2.1步进电机的简介3

2.2电机激磁方式介绍4

2.3步进电机系统工作原理6

3EDA概述8

3.1VHDL简介8

3.2QuartusII简介10

4步进电机定位系统模块设计11

4.1步进电机方向设定电路模块11

4.2步进电机步进移动与定位控制模块13

4.3编码输出模块14

4.4四相步进电机定位控制器顶层电路的设计和仿真15

5心得体会17

6参考文献18

附录19

摘要

现代机械设备的精密定位是实现精密加工的首要条件，如何提高定位系统的精度一直控制领域研究的热点，在精密定位系统中，步进电机是其重要组成部分。

对于步进电机系统，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展，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。

本文简要叙述了四相步进电机系统的设计过程，在对比以往电机的设计方案，选择基于FPGA的四相电机，一共完成四个模块，分别为输入模块、方向设定、移动定位控制和编码输出模块。

在开路控制的情况下，为使步进电机产生运动，电动机中的磁性线圈或绕组以特定顺序通电或断电，要求采用数字信号来控制电动机每个线圈中的电流，使得系统得到最佳的性能。

关键词：

步进电机步距角脉冲频率FPGA

Abstract

Precisepositioningofmodernmachineryandequipmentisaprerequisitetoachieveprecisionmachining,howtoimprovetheaccuracyofthepositioningsystemhasbeenahotresearchfieldcontrol,precisionpositioningsystem,thesteppermotorisanimportantcomponent.Forsteppermotorsystem,theelectricalpulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacementoftheopenloopsteppermotorcontrolelementpieces.SteppermotorsreplacethesmallDCmotorsincomputerperipheralsinthefuture,toimproveitsperformanceequipmentquicklypromotedthedevelopmentofsteppingmotorcanbecontrolledbycontrollingthenumberofpulsesangulardisplacement,soastoachieveaccuratepositioning;alsocanbecontrolledbycontrollingthepulsefrequencyofthemotorrotationspeedandaccelerationtoachievespeedcontrolpurposes.

Thispaperbrieflydescribesthefourphasestepmotorsystemdesignprocess,incomparisonofpreviousmotordesign,choosefourphasemotorbasedonFPGA,completedatotaloffourmodules,inputmodule,respectively,setthedirection,mobilepositioningcontrolandencodingoutputmodule.Inthecaseofopenloopcontrol,movementtomakethesteppermotor,motor,magneticcoilsinaparticularorderorwindingelectricityorpoweroutages,requiretheuseofdigitalsignaltocontrolthemotorcurrentofeachcoil,causingthesystemtogetthebestperformance.

Keywords:

stepmotorstepAnglepulsefrequencyFPGA

1绪论

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。

传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。

为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。

步进电动机的发展与计算机工业密切相关。

自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。

另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：

发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。

随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。

瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。

由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。

同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。

发展趋势之三，对电动机进行综合设计。

即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

现在制造业对精密加工的要求越来越高，能否实现精密加工已成为各设备制造商在国际市场竞争中取得成功的关键因素，发达国家都十分重视精密加工技术的水平和发展，并利用它进行产品革新和扩大生产，而设备的精密定位是实现精密加工的首要条件，如何提高定位系统的精度一直控制领域研究的热点。

在精密定位系统中，步进电机是其重要组成部分，据资料统计每年在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，又2/3以上采用的是以步进电机作为伺服控制系统。

因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。

随着步进电机广泛地应用于数字控制系统中作为伺服元件，步进电机在实时性和灵活性等性能上的要求越来越高。

那么如何灵活、有效地控制步进电机的运转成为研究的主要方向。

这里采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），通过VHDL语言编程来实现四相步进电机的控制。

利用FPGA设计具有以下优点：

 硬件设计软件化 FPGA的开发在功能层面上可以脱离硬件在EDA软件上做软仿真。

当功能确定无误后可以进行硬件电路板的设计。

最后将设计好的，由EDA软件生成的烧写文件下载到配置设备中去，进行在线调试，如果这时的结果与要求不一致，可以立即更改设计软件，并再次烧写到配置芯片中而不必改动外接硬件电路。

进行分层模块设汁后系统设计变得更加简单，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，有利于步进电机的运动控制。

     高度集成化，高工作频率 一般的FPGA内部都集成有上百万的逻辑门，可以在其内部规划出多个与传统小规模集成器件功能相当的模块。

另外，一般的FPGA内部都有PLL倍频和分频电路模块，这样可以在外部采用较低频率的晶振而在内部获得较高频率的时钟，进一步解决了电磁干扰和电磁兼容问题。

2步进电机定位系统设计

2.1步进电机的简介

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步进电机件。

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，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，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。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

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（即步进角）。

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。

在精密定位系统中，步进电机是其重要组成部分，据资料统计每年在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，又2/3以上采用的是以步进电机作为伺服控制系统。

因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。

2.2电机激磁方式简介

步进马达依定子线圈的相数不同可分成二相、四相及五相式，小型步进马达以二相式较为普遍。

单极性型（unipolar）：

定子磁极极性为同一方向，如可变磁阻式步进马达，磁极线圈只有一组，所加的激磁电流为固定方向，因此单极性步进马达所需的电源较简单。

单极性驱动电路使用四只晶体管来驱动步进电机的两组相位。

电机结构则如图2-1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。

这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人区分不了又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。

六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

图2-1单极性二相步进电机驱动电路

双极性型（bipolar）：

定子磁极极性为两个方向，如永久磁铁式步进马达，其转子的极性和定子磁极极性有交互变化的需要。

单一激磁线圈时其激磁方向为正负交替变化，两组磁极线圈时，一组正向激磁，另一组负向激磁，两组交替变化，使定子磁极极性变化。

以双极方式运用，其电源较为复杂。

双极性步进电机的驱动电路则如图2-2所示，它会使用八只晶体管来驱动两组相位。

双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。

双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。

双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

图2-2双极性步进电机驱动电路

四相步进电机的激磁方式有下列两种:

（1）.全步激磁

全步激磁方式又可分为1相激磁与2相激磁两种方式，说明如下:

1相激磁

在每一瞬间只有一个线圈导通，其他线圈在休息，其特点是，激磁方法简单，消耗电力小，精确度良好。

但是转矩小，振动较大，而在每送一次激磁信号可走1.8°。

每次只激磁一相线圈，每输入一个脉波，便产生一步级的转，，当激磁依A→B→A→B→A……相顺序，则马达顺时针方向旋转;若依B→A→B→A→B……相顺序激磁，则马达依逆时针方向旋转。

此种激磁方式之优点为线圈消耗功率小，角精确度良好，但其转距小，加上阻尼特性不良，易失步。

2相激磁

在每一瞬间会有两个线圈同时导通，它的特点是转矩大，振动较小，每送一次激磁信号可走1.8°。

而如果每次输入一个脉波，则将会有二相线圈激磁，由此可知，即若依AB→BA→AB→BA→AB……相的顺序依次激磁，则马达按顺时针方向旋转:

而若依BA→AB→BA→AB→BA……相顺序激磁，则马达转向为逆时针方向。

此种激磁方式由于同时有两组线圈激磁，输出转距较大，加上阻尼效果良好，故能按较高的脉波率，但其缺点为耗电较大，容易发热。

（2）半步激磁

此种激磁方式又称为1-2相激磁，激磁一相线圈和二相线圈交互进行，并且每加入一数字脉波所转动之角度变为原步进角的一半，因此使得分辨率可以很好地提高一倍，而且它在运转时已经相当平滑，所以它与2相激磁方式同样受到了非常广泛的使用，但是若依照A→AB→B→BA→A→AB→B→BA→A→AB……相的顺序激磁，则步进马达将以顺时针方向旋转；但如果依照BA→A→AB→B→BA→A→AB→B→BA……相顺序激磁，则马达逆时针方向旋转。

1相激磁、2相激磁和1-2相激磁方式如表2-1所示。

表2-13种激磁方式

1相激磁2相激磁1-2相激磁

步

A

B

步

A

B

步

A

B

1

0

1

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4

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4

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7

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7

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8

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1

1

0

改变线圈激磁的顺序可改变步进电机的转动方向，每送一次激磁信号后，要经过一小段的时间延时，让步进电机有足够的时间建立激场及转动。

2.3步进电机系统工作原理

步进电机是按步旋转的电动机，而不是连续运行的，典型情况下是每步旋转15º。

另外，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。

如果将电动机中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。

4相步进电机有两组线圈A和B。

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，如图2-3所示，表2-2给出了4相步进电机的8个方向和电流以及电压信号的关系

图2-3四相步进电机线圈磁场方向图

4相步进电机有两组线圈A和B，如上图所示，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

表2-2四相步进电机的8个方向和电流电压信号的关系表

由表2-2可知，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00010011001001100100变化。

但是否有更快的方法，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0º到达180º的位置。

这就是所谓激磁方式的不同。

3EDA概述

EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较为先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。

在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。

这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。

这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

3.1VHDL简介

VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。

它在80年代的后期出现。

最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。

VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计中。

它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。

当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。

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、描述风格以及语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。

与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：

功能强大、设计灵活

VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。

它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。

VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。

VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。

支持广泛、易于修改

由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，大多数EDA工几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。

在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。

强大的系统硬件描述能力

VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。

而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。

另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。

VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。

④独立于器件的设计、与工艺无关

设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。

当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。

很强的移植能力

VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。

易于共享和复用

VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。

这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。

3.2QuartusII简介

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（AlteraHardwareDescriptionLanguage）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。

QuartusII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。

同时支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。

对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。

此外，QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。

MaxplusII作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。

目前Altera已经停止了对MaxplusII的更新支持，QuartusII与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。

Altera在QuartusII中包含了许多诸如SignalTapII、ChipEditor和RTLViewer的设计辅助