Verilog HDL 之 步進電機驅(qū)動控制

步進電機的用途還是非常廣泛的，目前打印機，繪圖儀，機器人等等設備都以步進電機為動力核心。那么，下面我們就了解下什么是步進電機，它是怎么控制的。

一、步進電機相關知識簡介

1、步進電機概述

步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度(稱為步距角)。正常情況下，步進電機轉(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，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。

2、步進電機的種類

目前常用的步進電機有三類：

(1)反應式步進電動機(VR)：它的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小，但動態(tài)性能相對較差。

(2)永磁式步進電動機(PM)：它的出力大，動態(tài)性能好;但步距角一般比較大。

(3)混合步進電動機(HB)：它綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機。

如果還想做更深入的了解，自行查找相關資料。

3、步進電機控制的實現(xiàn)

我們實驗中所使用的步進電機為四相步進電機。轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為64。系統(tǒng)中采用四路I/O進行并行控制，FPGA直接發(fā)出多相脈沖信號，在通過功率放大后，進入步進電機的各相繞組。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現(xiàn)。

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其中：m為相數(shù)，控制方法是四相單四拍和四相雙四拍時C為1，控制方法是四相單、雙八拍時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。但步進電機經(jīng)過一個1/8的減速器引出，實際的步距角應為360°/512/8。

試驗中使用EXI/O的高四位控制四相步進電機的四個相。按照四相單、雙八拍控制方法，電機正轉(zhuǎn)時的控制順序為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。EXI/O的高四位的值參見表1.1。

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反轉(zhuǎn)時，只要將控制信號按相反的順序給出即可。

步進電機的頻率不能太快，也不能太慢。在200Hz附近最好。頻率太快是轉(zhuǎn)動不起來的。

注：為什么步進電機高于一定速度就無法啟動：

步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速)

1、在設計文件中輸入Verilog代碼。

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注：

(1)第19行，此處的數(shù)值為200000，因為實驗中所使用的晶振時鐘頻率是50MHz，這樣我們?yōu)椴竭M電機提供了250Hz的頻率，使之能正常工作。

(2)第43、44行是選擇正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

(3)第45行~第54行：就是根據(jù)表1.1而來的，配置步進電機的IO口值。

2、由設計文件生成的.bsf文件，其外接接口如圖1.2所示。

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3、引腳分配

clk接時鐘;Dir接按鍵，控制正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn);StepEnable接按鍵，表示開關;rst接復位信號;StepDrive接步進電機的4個引腳。

審核編輯：湯梓紅