步进电机控制器设计报告-常熟理工学院课程设计报告

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1、常 熟 理 工 学 院 课 程 设 计 报 告0步 进 电 机 控 制 器 设 计 报 告1.绪 言在 本 次 EDA课 程 设 计 中 ， 我 们 组 选 择 了 做 一 个 步 进 电 机 驱 动 程 序 的 课 题 。 对于 步 进 电 机 我 们 以 前 并 未 接 触 过 ， 它 的 工 作 原 理 是 什 么 ， 它 是 如 何 工 作 的 ， 我 们应 该 如 何 控 制 它 的 转 停 ， 这 都 是 我 们 迫 切 需 要 了 解 的 。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 件 。 在 非 超 载的 情 况

2、 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 ， 即 给 电 机 加 一 个 脉 冲 信 号 ， 电 机 则 转 过 一 个 步 距 角 。 这 一 线 性关 系 的 存 在 ， 加 上 步 进 电 机 只 有 周 期 性 的 误 差 而 无 累 积 误 差 等 特 点 。 使 得 在 速 度 、位 置 等 控 制 领 域 用 步 进 电 机 来 控 制 变 的 非 常 的 简 单 。步 进 电 机 及 驱 动 电 源 是 互 相 联 系 的 整 体 。 步 进 电 机 驱 动 电 源

3、 框 图 如 图 1所示 。 变 频 信 号 源 产 生 频 率 可 调 的 脉 冲 信 号 ， 调 节 步 进 电 机 的 速 度 。 脉 冲 分 配 器 则根 据 要 求 把 脉 冲 信 号 按 一 定 的 逻 辑 关 系 加 到 脉 冲 放 大 器 上 ， 使 步 进 电 机 按 确 定 的运 行 方 式 工 作 。感 应 子 式 步 进 电 机 以 相 数 可 分 为 ： 二 相 电 机 、 三 相 电 机 、 四 相 电 机 、 五 相 电机 等 。 以 机 座 号 （ 电 机 外 径 ） 可 分 为 ： 42BYG(BYG 为 感 应 子 式 步 进 电 机 代 号 ） 、57BY

4、G、 86BYG 、 110BYG 、 （ 国 际 标 准 ） ， 而 像 70BYG 、 90BYG 、 130BYG等 均 为 国 内 标 准 。1.1 驱 动 控 制 系 统 组 成使 用 、 控 制 步 进 电 机 必 须 由 环 形 脉 冲 ， 功 率 放 大 等 组 成 的 控 制 系 统 。1.1.1 脉 冲 信 号 的 产 生脉 冲 信 号 一 般 由 单 片 机 或 CPU 产 生 ， 一 般 脉 冲 信 号 的 占 空 比 为 0.3-0.4 左右 ， 电 机 转 速 越 高 ， 占 空 比 则 越 大 。1.1.2 信 号 分 配常 熟 理 工 学 院 课 程 设 计 报

5、 告1感 应 子 式 步 进 电 机 以 二 、 四 相 电 机 为 主 ， 二 相 电 机 工 作 方 式 有 二 相 四 拍 和 二相 八 拍 二 种 ， 具 体 分 配 如 下 ： 二 相 四 拍 为 ， 步 距 角 为 1.8 度 ； 二 相 八 拍 为 ， 步 距角 为 0.9 度 。 四 相 电 机 工 作 方 式 也 有 二 种 ， 四 相 四 拍 为 AB-BC-CD-DA-AB， 步 距角 为 1.8 度 ； 四 相 八 拍 为 AB-B-BC-C-CD-D-AB， (步 距 角 为 0.9 度 ） 。2.课 题 要 求2.1 步 进 电 机 控 制 器 设 计要 求 : (

6、1) start为 ” 1” 时 ， 步 进 电 机 转 动 。start为 ” 0” 时 ， 步 进 电 机 停 转 。(2) 预 设 step_in为 常 数 ， 当 clk为 上 升 沿 ， load和 start为 ” 1 加 载 时 ，电 机 开 始 转 动 ， 转 动 step_in次 后 ， 停 止 转 动 。 当 下 次 符 合 此 要 求时 将 再 次 转 动 。(3) 通 过 load,， step_in同 步 或 异 步 载 入 steps值 。示 意 图 如 下 ：图 2如 图 2所 示 ,为 步 进 电 机 控 制 器 的 输 入 输 出 示 意 图 。其 中 ：lo

7、ad为 加 载 信 号start为 步 进 电 机 启 动 信 号en为 使 能 信 号reset为 置 位 清 零 信 号clk为 时 钟 信 号step_in15.0表 示 输 入 的 十 六 位 二 进 制 数 ,其 数 值 范 围 用 十 进 制 数 表 示 为 0-65535。Coil_out3.0表 示 输 出 ,共 有 A,B,A ,B 四 种 状 态 。常 熟 理 工 学 院 课 程 设 计 报 告2A,B,A ,B 四 种 转 动 状 态 可 用 图 3表 示 ,电 机 按 下 图 A- B- A - B - A循环 转 动 ,每 转 过 一 次 变 换 90度 。 当 Co

8、il_out3.0=“ 1000” ， 指 针 指 向 A； 当Coil_out3.0=“ 0100” ， 指 针 指 向 B； 当 Coil_out3.0=“ 0010” ， 指 针 指 向A ； 当 Coil_out3.0=“ 0001” ， 指 针 指 向 B ； 当 Coil_out3.0=“ 0000” ，电 机 不 工 作 。图 32.2 通 过 网 络 上 收 集 资 料 ， 图 书 馆 查 阅 书 本 ， 我 们 逐 步 了 解 了 步 进 电 机 ， 了 解 它的 基 本 工 作 原 理 后 我 们 我 们 逐 渐 形 成 了 一 些 驱 动 程 序 的 基 本 构 思 ，

9、我 们 决 定 利 用状 态 机 的 工 作 方 式 去 编 写 步 进 电 机 的 驱 动 。3.方 案 设 计 与 论 证3.1 状 态 机关 于 状 态 机 的 一 个 极 度 确 切 的 描 述 是 它 是 一 个 有 向 图 形 ， 由 一 组 节 点 和 一 组相 应 的 转 移 函 数 组 成 。 状 态 机 通 过 响 应 一 系 列 事 件 而 “ 运 行 ” 。 每 个 事 件 都 在 属于 “ 当 前 ” 节 点 的 转 移 函 数 的 控 制 范 围 内 ， 其 中 函 数 的 范 围 是 节 点 的 一 个 子 集 。函 数 返 回 “ 下 一 个 ” （ 也 许 是

10、 同 一 个 ） 节 点 。 这 些 节 点 中 至 少 有 一 个 必 须 是 终 态 。当 到 达 终 态 ， 状 态 机 停 止 。包 含 一 组 状 态 集 （ states） 、 一 个 起 始 状 态 （ startstate） 、 一 组 输 入 符 号 集（ alphabet） 、 一 个 映 射 输 入 符 号 和 当 前 状 态 到 下 一 状 态 的 转 换 函 数 （ transitionfunction） 的 计 算 模 型 。 当 输 入 符 号 串 ， 模 型 随 即 进 入 起 始 状 态 。 它 要 改 变 到 新的 状 态 ， 依 赖 于 转 换 函 数 。

11、 在 有 限 状 态 机 中 ， 会 有 有 许 多 变 量 ， 例 如 ， 状 态 机有 很 多 与 动 作 （ actions） 转 换 (Mealy机 )或 状 态 （ 摩 尔 机 ） 关 联 的 动 作 ， 多 重 起常 熟 理 工 学 院 课 程 设 计 报 告3始 状 态 ， 基 于 没 有 输 入 符 号 的 转 换 ， 或 者 指 定 符 号 和 状 态 （ 非 定 有 限 状 态 机 ）的 多 个 转 换 ， 指 派 给 接 收 状 态 （ 识 别 者 ） 的 一 个 或 多 个 状 态 等 等 。传 统 应 用 程 序 的 控 制 流 程 基 本 是 顺 序 的 ： 遵 循

12、 事 先 设 定 的 逻 辑 ， 从 头 到 尾 地执 行 。 很 少 有 事 件 能 改 变 标 准 执 行 流 程 ； 而 且 这 些 事 件 主 要 涉 及 异 常 情 况 。 “ 命令 行 实 用 程 序 ” 是 这 种 传 统 应 用 程 序 的 典 型 例 子 。另 一 类 应 用 程 序 由 外 部 发 生 的 事 件 来 驱 动 换 言 之 ， 事 件 在 应 用 程 序 之 外生 成 ， 无 法 由 应 用 程 序 或 程 序 员 来 控 制 。 具 体 需 要 执 行 的 代 码 取 决 于 接 收 到 的 事件 ， 或 者 它 相 对 于 其 他 事 件 的 抵 达 时

13、间 。 所 以 ， 控 制 流 程 既 不 能 是 顺 序 的 ， 也 不能 是 事 先 设 定 好 的 ， 因 为 它 要 依 赖 于 外 部 事 件 。 事 件 驱 动 的 GUI应 用 程 序 是 这种 应 用 程 序 的 典 型 例 子 ， 它 们 由 命 令 和 选 择 （ 也 就 是 用 户 造 成 的 事 件 ） 来 驱 动 。3.2 设 计 论 证利 用 状 态 机 的 工 作 原 理 来 设 计 步 进 电 机 的 控 制 程 序 。 本 课 题 要 求 需 要 输 出 五种 状 态 ， 其 中 有 四 种 转 动 状 态 ， 电 机 即 按 照 此 四 种 状 态 旋 转

14、， 还 有 一 种 状 态 是 用于 保 护 电 机 ， 避 免 电 机 因 通 电 过 长 而 烧 坏 。3.3 最 初 设 计 ： 按 照 由 易 及 难 的 原 则 ， 即 将 steps值 固 定 ， 使 电 机 转 动 步 数 恒 定 ，每 次 触 发 旋 转 则 按 照 固 定 steps值 转 ， 转 动 steps值 后 停 转 。二 次 修 改 ： 在 设 计 好 最 初 的 目 标 程 序 后 ， 我 们 有 对 程 序 进 行 改 进 ， 即 增 加 了steps预 设 功 能 ， 在 进 行 波 形 仿 真 的 时 候 ， 可 修 改 输 入 信 号 step_in的

15、值 （ 16位 二进 制 数 ） ， 从 而 改 变 步 进 电 机 的 转 动 步 数 。更 高 要 求 ： （ 1） 在 电 机 停 转 之 后 ， 应 使 输 出 为 零 ， 即 保 持 电 机 的 电 路 电 流为 零 ， 从 而 达 到 保 护 电 机 不 被 烧 毁 的 目 的 。（ 2） 在 电 机 停 转 之 后 ， 若 再 次 启 动 旋 转 ， 则 从 上 次 停 止 的 位 置 继 续 旋 转 ， 这是 符 合 实 际 情 况 的 仿 真 。（ 3） 在 电 机 停 转 之 后 ， 利 用 PWM技 术 对 电 路 进 行 控 制 。3.4 鉴 于 以 上 要 求 ， 我

16、 们 组 经 过 一 周 左 右 时 间 利 用 VHDL语 言 设 计 出 了 符 合 课题 要 求 的 步 进 电 机 控 制 器 程 序 （ 见 附 录 ） 。如 下 图 4所 示 ， 为 步 进 电 机 控 制 仿 真 波 形 图 ：常 熟 理 工 学 院 课 程 设 计 报 告4图 4图 4中 显 示 的 是 step_in值 分 别 为 10， 8， 12三 种 情 况 （ 16进 制 表 示 ） 时 ，Coil_out的 输 出 情 况 ， 结 果 表 明 波 形 仿 真 与 设 计 要 求 相 符 。4. 总 结 与 体 会在 编 写 程 序 的 过 程 中 我 们 出 现 了 很 多 这 样 那 样 的 困 难 ， 但 我 们 并 没 有 气 馁 ，而 是 认 真 的 探 讨 研 究 ， 终 于 将 其 一 一 解 决 。在 编 程 的 开 始 我 们 就 遇 到 了 麻 烦 ， 输 入 端 口 step_in是 输 入 了 一 个 16位 的 二进 制 数 ，