基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制實現(xiàn)

1、步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機(jī)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(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，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)（VR）：它的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動態(tài)性能相對較差。

（2）永磁式步進(jìn)電動機(jī)（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(jìn)電動機(jī)（HB）：它綜合了反應(yīng)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(jìn)電動機(jī)。

如果還想做更深入的了解，自行查找相關(guān)資料。

實驗使用的電機(jī)如下

5V減速步進(jìn)電機(jī)（5線4相）

型號：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。

電機(jī)驅(qū)動電路

3、步進(jìn)電機(jī)控制的實現(xiàn)

我們實驗中所使用的步進(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，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(jìn)電機(jī)經(jīng)過一個1/8的減速器引出，實際的步距角應(yīng)為360°/512/8。

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

反轉(zhuǎn)時，只要將控制信號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：

步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。

4、設(shè)計原理圖

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

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)的速度請在這里修改：

// 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(jìn)電機(jī)提供了250Hz的頻率，使之能正常工作。

仿真驗證正確。