基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

1、步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。

2、步進(jìn)電機(jī)的種類

目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：

（1）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）：它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。

（2）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）：它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。

（3）混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）：它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

如果還想做更深入的了解，自行查找相關(guān)資料。

實(shí)驗(yàn)使用的電機(jī)如下

5V減速步進(jìn)電機(jī)（5線4相）

型號(hào)：28BYJ-48

尺寸：28mm（直徑）

電壓：5V

步進(jìn)角度：5.625 x 1/64

減速比：1/64

應(yīng)用：適用于51/AVR/ARM等各種平臺(tái)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3、步進(jìn)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

我們實(shí)驗(yàn)中所使用的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為64。系統(tǒng)中采用四路I/O進(jìn)行并行控制，FPGA直接發(fā)出多相脈沖信號(hào)，在通過功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。這樣就不再需要脈沖分配器。脈沖分配器的功能可以由純軟件的方法實(shí)現(xiàn)。

四相步距電機(jī)的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。步距角的計(jì)算公式為：

其中：m為相數(shù)，控制方法是四相單四拍和四相雙四拍時(shí)C為1，控制方法是四相單、雙八拍時(shí)C為2，Zk為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)。本系統(tǒng)中采用的是四相單、雙八拍控制方法，所以步距角為360°/512。但步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過一個(gè)1/8的減速器引出，實(shí)際的步距角應(yīng)為360°/512/8。

試驗(yàn)中使用EXI/O的高四位控制四相步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相。按照四相單、雙八拍控制方法，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CD→D→DA。 參見表如下：

反轉(zhuǎn)時(shí)，只要將控制信號(hào)按相反的順序給出即可。

步進(jìn)電機(jī)的頻率不能太快，也不能太慢。在200Hz附近最好。頻率太快是轉(zhuǎn)動(dòng)不起來的。

注：為什么步進(jìn)電機(jī)高于一定速度就無法啟動(dòng)：

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。

4、設(shè)計(jì)原理圖

clk接時(shí)鐘；Dir接按鍵，控制正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)； rst接復(fù)位信號(hào)；StepDrive接步進(jìn)電機(jī)的4個(gè)引腳。

電路板連接

電源連接

FPGA IO連接

仿真

必須用Quartus 9.0版本軟件

工程文件

代碼文件

仿真波形文件

仿真結(jié)果

修改步進(jìn)電機(jī)的速度請(qǐng)?jiān)谶@里修改：

// 此處的數(shù)值為200000，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所使用的晶振時(shí)鐘頻率是50MHz，

// 這樣我們?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)提供了250Hz的頻率，使之能正常工作。

仿真驗(yàn)證正確。