步进电机定位控制系统设计

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1、万方数据步进电机定位控制系统的设计王雁平(西安邮电学院信控系，陕西西安710061)摘要：系统基于51单片机控制，以FPGA芯片来实现驱动，步进电机的脉冲分配作为核心电路加以必要的数字模拟辅助电路，形成一个4相8拍步进电机定位控制系统。该系统完成了步进电机的正确脉冲分配并实现了步进电机的方向调节、速度调节及定位控制等功能，由于单片机控制模块的使用使得FPGA驱动模块对步进电机的定位控制更加方便，对步进电机的速度控制精度很高，并且更加准确。关键词：步进电机；定位控制；FPGA；脉冲分配中图分类号：TN919—34文献标识码：A文章编号：1004

2、—373X(2010)18—0205—03DesignofStepperMotorPositioningControlSystemWANGYan-ping(AutomationInstitute．Xi’anUniversityofPostsandTelecommunication．Xi’an710061．China)Abstract：A4-phase8-stepsteppermotorpositioningcontrolsystemisestablishedbasedon51MCU，whosedriverisa—chievedbyadopti

3、ngFPGA，andpulseallocatingofsteppermotorisusedaskernelcircuitsupportedwithnecessarydigitalana—logcircuit．Thissystemcanimplementsmoothlycorrectpulseallocatingandcanadjustthedirectionofsteppermotor，speedandposition，etc．UsingtheMCUcontrol，theFPGAdrivenmodulecanadvancespeedcontr

4、olaccuracy．Keywords：steppermotor；positioningcontrol；FPGA；pulseallocating0引言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。可以通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，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。传统的步进电机控制一般都用固定功能的芯片来搭建，电路比较庞大、用户界面友好度差、也不经济。由于大规模可编程器件(FPGA)具有体积小、改动灵活方便、性能高、功耗低、效率高的特点，完成数控部分的功能采用FPGA

5、芯片是一种理想的解决方案。可以从软件、硬件两方面对任务进行分析，搭建系统的硬件平台以及软件的控制设计，并逐步进行测试，在整个系统运转后，可以对系统的性能进行测试，对不足之处通过软件给予改进。l步进电机的工作原理[卜21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，而不受负收稿日期：2010—04—23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

6、机来控制变的非常的简单。下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的工作原理。电机转子上均匀分布着很多小齿，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0，1／3r，2／3r，(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以r表示)，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1／3r，C与齿3向右错开2／3r，A’与齿5相对齐(A’就是A，齿5就是齿1)，图1是定转子的展开图。图1反应式步进电机的定转子展开图如图1所示：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力，以下均同)。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1／3

7、r，此时齿3与C偏移为1／3r，齿4与A偏移(r一1／3r)=2／3r。如果不断地按205万方数据A，B，C，A⋯通电，电机就每步(每脉冲)1／3r，向右旋转。如按A，C，B，A⋯通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系，方向由导电顺序决定。2系统整体设计[3-6]系统的设计采取模块设计的方法，将整个系统分成若干模块，然后逐个实现各个模块的功能，最后将各个模块的预留接口连接在一起即可实现系统的整体功能。根据各个模块的数据传输途径，系统的整体框图如图2所示。图2系统硬件框图如硬件框图2所示：其中键盘和

8、显示模块采用4个按键、4个七段LED显示，电机驱动模块用FPGA芯片通过编程来实现，电流放大部分采用了集成芯片ULN2803来实现，此芯片的最大输出电流为500mA