FPGA控制_步进电机模块使用说明

FPGA控制_步进电机模块使用说明

今天给大侠带来步进电机模块使用说明，话不多说，上货。

一、步进电机简介

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电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

二、步进电机的种类

目前常用的步进电机有三类：

（1）反应式步进电动机（VR）：它的结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差；

（2）永磁式步进电动机（PM）：它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大；

（3）混合步进电动机（HB）：它综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机。

三、步进电机控制的FPGA实现

我们实验中所使用的步进电机为四相步进电机，型号为28BYJ-48。

转子小齿数为64。系统中采用四路I/O进行并行控制，FPGA直接发出多相脉冲信号，在通过功率放大后，进入步进电机的各相绕组。这样就不再需要脉冲分配器。脉冲分配器的功能可以由纯软件的方法实现。

四相步距电机的控制方法有四相单四拍，四相单、双八拍和四相双四拍三种控制方式。步距角的计算公式为：

其中：m为相数，控制方法是四相单四拍和四相双四拍时C为1，控制方法是四相单、双八拍时C为2，Zk为转子小齿数。本系统中采用的是四相单、双八拍控制方法，所以步距角为360°/512。但步进电机经过一个1/8的减速器引出，实际的步距角应为360°/512/8。

试验中使用EXI/O的高四位控制四相步进电机的四个相。按照四相单、双八拍控制方法，电机正转时的控制顺序为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。EXI/O的高四位的值参见下表。

上表电机正转时，FPGA四位IO口的值反转时，只要将控制信号按相反的顺序给出即可。

步进电机的频率不能太快，也不能太慢。在200Hz附近最好。频率太快是转动不起来的。

注：为什么步进电机高于一定速度就无法启动：

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

四、步进电机驱动模块

<1>、模块实物图以及电路图，如下图。

<2>、ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成，每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。由于芯片管脚输出驱动能力不够，所以需要uln2003芯片来驱动，增加其驱动能力。

视频演示如下：

https://mp.weixin.qq.com/s/m7sVCNBUPqBgLgKBC_34oA

五、FPGA控制代码分享

module step_motor_v1(clk, rst_n, key_en, key_dir, step_port);

  input              clk;
  input              rst_n;
  input              key_en;
  input              key_dir;

  output  reg [3:0] step_port;
  
  parameter t = 97600;

  reg [17:0] cnt;
  reg [2:0] state;
  reg en;
  
  always @ (posedge clk, negedge rst_n)
  begin
    if(rst_n == 1'b0)
      cnt <= 18'
d0;
    else if(key_en)
      begin
        if(cnt == t - 1)
          cnt <= 18'd0;
        else  
          cnt <= cnt + 1'
b1;
      end
    else
      cnt <= cnt;
  end
  
  always @ (posedge clk, negedge rst_n)
  begin
    if(rst_n == 1'b0)
      state <= 3'
d0;
    else if(key_en && cnt == t - 1)
      begin
        if(key_dir)
          state <= state + 1'b1;
        else
          state <= state - 1'
b1;
      end
    else
      state <= state;
  end
  
 always @ (posedge clk, negedge rst_n)
  begin
    if(rst_n == 1'b0)
      step_port <= 4'
d0;
    else if(key_en && cnt == t - 1)
      case(state)
        3'b000  :  step_port <= 4'b0001;
        3'b001  :  step_port <= 4'b0011;
        3'b010  :  step_port <= 4'b0010;
        3'b011  :  step_port <= 4'b0110;
        3'b100  :  step_port <= 4'b0100;
        3'b101  :  step_port <= 4'b1100;
        3'b110  :  step_port <= 4'b1000;
        3'b111  :  step_port <= 4'b1001;
      endcase
    else
      step_port <= step_port;
  end

endmodule

完

后续会持续更新，带来Vivado、 ISE、Quartus II 、candence等安装相关设计教程，学习资源、项目资源、好文推荐等，希望大侠持续关注。

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