步进电机定位控制系统方案.pdf

个人资料整理仅限学习使用 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 20182018 学年6 月20日 个人资料整理仅限学习使用 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、2018 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、2018 年 06月 12日 至 2018年 06 月 17日，设计说明书撰写。 3、2018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 ， 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 count3 downto 0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 个人资料整理仅限学习使用 表 5.1 dir 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 5.2 dir 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。 步进电机定位功能通过一个减法器实现：在每个clk 脉冲上升缘，设定步 进角倍数angledncount 减去不同激磁方式下设定的累减记数值angledncntdec ， 判断差值小于设定的累减记数时，步进电机旋转到预定角度停止输出驱动端口 信号，实现步进电机的定位功能。 驱动端口信号利用累加器实现。 10 -1 2 2 11 0 1 1 个人资料整理仅限学习使用 5.6 编码输出模块 该模块的功能是将count 与 angledncount 产生的数值经过编码，并通过 baba3downto0输出到步进电机。 6 程序设计与仿真 library IEEE。 use IEEE.std_logic_1164.all 。 use IEEE.std_logic_arith.all。 use IEEE.std_logic_unsigned.all 。 entity step_motor is port (reset:in STD_LOGIC。 -系统复位信号 dir: in STD_LOGIC 。 -方向控制信号 clk: in STD_LOGIC 。 -系统时钟信号 ini: in STD_LOGIC 。 -初始化使能信号 manner: in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0。 -激磁方式的选择开关 angle: in INTEGER range 255 downto 0 。 -步进角的倍数设定输入 baBA: out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0 。 -步进电机状态输出 end step_motor 。 architecture stepmotor_arch of step_motor is signal count: INTEGER range 0 to 7 。 -计数器 signal cntInc: INTEGER range -2 to 2 。 -设定累加器所需的累 -， ini begin -if ini='1' then 个人资料整理仅限学习使用 cc 。 if dir='0' then case cc is when 1 = - 1- -count - 2- -count - 1-2 -count -manner=“00“ autodetect if (angle rem 2 =1 then - 2- -count - 1- -count - 2- -count - 1-2 -count -manner=“00“ autodetect if (angle rem 2 = 1 then - 2- cntIni begin if reset='1' then count angleDnCntDec then angleDnCount =7。 end stepmotor_arch 。 7 仿真结果 个人资料整理仅限学习使用 图 7.1 编译结果 图 7.2 时序仿真部分结果 个人资料整理仅限学习使用 图 7.3 时序仿真结果 8 实验总结 本文所设计的步进电机控制系统实现简单，编程容易，所设计系统实现了 对电机模组的预定控制，较好的完成了设计要求。采用Verilog 和 FPGA 设计， 能够缩短设计周期，并使设计易于调试、实现。在系统需升级时，仅需对 FPGA 模块再设计，成本较低。 从仿真结果来看，利用FPGA 芯片严谨的基于硬件的编程语言和精确的时 间控制特点，准确地实现了精确定位功能，并利用直接频率合成理论中的相位 累加器的原理同时实现了对步进电机的运行速度的精确控制。实践证明，这种 方法定位准确，控制速度精确，是一种行之有效的方案。 参考文献 1 通信原理樊昌信张甫翊徐炳祥吴成柯著国防工业出版社 2009.1 2 EDA 技术使用教程 VHDL 版潘松黄继业编著科学出版社 2018.6 个人资料整理仅限学习使用 本科生课程设计成绩评定表 姓名性别 专业、班级 课程设计题目：步进电机定位控制系统设计 课程设计答辩或质疑记录： 1、步进电机的拍数是指什么？ 答：拍数指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n 表示，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数。 以四相电机为例，有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。 2、各个输入信号的作用是什么？ 答：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 . 成绩评定依据： 最终评定成绩 以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年月日