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掌握步進(jìn)電機工作原理

更新時(shí)間:2024-06-18   點(diǎn)擊次數:80次

一、   實(shí)驗目的
1.   了解步進(jìn)電機的工作原理。
2.   掌握用FPGA產(chǎn)生驅動(dòng)步進(jìn)電機的時(shí)序。
3.   掌握用FPGA來(lái)控制步進(jìn)電機轉動(dòng)的整個(gè)過(guò)程。
二、   實(shí)驗原理
步進(jìn)電機是工業(yè)控制及儀表中常用的控制元件之一,例如在機械裝置中可以精確控制機械裝置的旋轉角度、移動(dòng)距離等。步進(jìn)電機可以直接用數字信號來(lái)驅動(dòng),使用非常方便。另外步進(jìn)電機還具有快速起停、精確步進(jìn)和定位的特點(diǎn)。
步進(jìn)電機實(shí)際上是一個(gè)數據/角度轉換器,三相步進(jìn)電機的結構原理如下圖5-15-1所示:
三相步進(jìn)電機的結構原理圖
圖5-15-1  三相步進(jìn)電機的結構示意圖
從圖中可以看出,電機的定子有六個(gè)等分的磁極,A、A’、B、B’、C、C’,相鄰的兩個(gè)磁極之間夾角為60°,相對的兩個(gè)磁極組成一組(A—A’,B—B’,C—C’),當某一繞組有電流通過(guò)時(shí),該繞組相應的兩個(gè)磁極形成N極和S極,每個(gè)磁極上各有五個(gè)均分布的矩形小齒,電機的轉子上有40個(gè)矩形小齒均勻地分布在圓周上,相鄰兩個(gè)齒之間夾角為9°。
⑴當某一相繞組通電時(shí),對應的磁極就產(chǎn)生磁場(chǎng),并與轉子轉動(dòng)一定的角度,使轉子和定子的齒相互對齊。由此可見(jiàn),錯齒是促使步進(jìn)電機旋轉的原因。
例如在三相三拍控制方式中,若A相通電,B、C相都不通電,在磁場(chǎng)作用下使轉子齒和A相的定子齒對齊,我們以此作為初始狀態(tài)。設與A相磁極中心線(xiàn)對齊的轉子的齒為0號齒,由于B相磁極與A相磁極相差120°不是9°的整數倍(120÷9=13 2/3) ,所以此時(shí)轉子齒沒(méi)有與B相定子的齒對應,只是第13號小齒靠近B相磁極的中心線(xiàn),與中心線(xiàn)相差3°,如果此時(shí)突然變?yōu)锽相通電,A、C相不通電,則B相磁極迫使13號轉子齒與之對齊,轉子就轉動(dòng)3°,這樣使電機轉子一步。如果按照A—AB—B—BC—C—CA—A次序通電則為正轉。通常用三相六拍環(huán)形脈沖分配器產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。
⑵運轉速度的控制。若改變ABC三相繞組高低電平的寬度,就會(huì )導致通電和斷電的變化速率變化,使電機轉速改變,所以調節脈沖的周期就可以控制步進(jìn)電機的運轉速度。
⑶旋轉的角度控制。因為輸入一個(gè)CP脈沖使步進(jìn)電機三相繞組狀態(tài)變化一次,并相應地旋轉一個(gè)角度,所以步進(jìn)電機旋轉的角度由輸入的CP脈沖數確定。
本實(shí)驗箱所使用步進(jìn)電機為4相步進(jìn)電機,最小旋轉角度為7.5度,其正向轉動(dòng)控制時(shí)序如下所示,每一個(gè)脈沖控制其轉過(guò)7.5度。
向轉動(dòng)控制時(shí)序
 
反向轉動(dòng)控制時(shí)序如下:
反向轉動(dòng)控制時(shí)序
 
 
 
三、   實(shí)驗內容
本實(shí)驗要完成的任務(wù)就是設計步進(jìn)電機的控制電路。通過(guò)一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)K1來(lái)控制步進(jìn)電機的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉;通過(guò)八個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)BT1-BT8來(lái)控制步進(jìn)電機旋轉的角度。
 
四、   實(shí)驗步驟
1、  打開(kāi)QUARTUSII軟件,新建一個(gè)工程。
2、  建完工程之后,再新建一個(gè)VHDL File,打開(kāi)VHDL編輯器對話(huà)框。
3、  按照實(shí)驗原理和自己的想法,在VHDL編輯窗口編寫(xiě)VHDL程序,用戶(hù)可參照光盤(pán)中提供的示例程序。
4、  編寫(xiě)完VHDL程序后,保存起來(lái)。方法同實(shí)驗一。
5、  將自己編輯好的的程序進(jìn)行編譯仿真,并對程序的錯誤進(jìn)行修改,最終通過(guò)編譯。
6、  編譯仿真無(wú)誤后,根據用戶(hù)自己的要求進(jìn)行管腳分配。分配完成后,再進(jìn)行全編譯一次,以使管腳分配生效。
7   根據實(shí)驗內容用實(shí)驗導線(xiàn)將上面管腳分配的FPGA管腳與對應的模塊連接起來(lái)。
如果是調用的本書(shū)提供的VHDL代碼,則實(shí)驗連線(xiàn)如下:
       Clk:FPGA工作所需時(shí)鐘信號,輸入為1KHZ左右。
Key7_5、key15、key30、key45、key90、key180、key360、key8:分別代表旋轉7.5度、15度、30度、45度、90度、180度、360度和多轉,分別與8個(gè)按鍵相連,按下相應的按鍵可以是步進(jìn)電機轉過(guò)相應的角度。
Keyorder:旋轉方向控制信號與一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)相連,高電平時(shí)正轉;低電平時(shí)反轉。
Astep、bstep、cstep、dstep:分別與步進(jìn)電機模塊的A、B、C和D相連。
8、      用下載電纜通過(guò)JTAG口將對應的sof文件加載到FPGA中。觀(guān)察實(shí)驗結果是否與自己的編程思想一致。
五、  實(shí)驗結果與現象
以設計的參考示例為例,當設計文件加載到目標器件后,按動(dòng)按鍵開(kāi)關(guān)BT1-BT8,步進(jìn)電機將會(huì )按照程序設計的相應的步進(jìn)角度進(jìn)行旋轉。撥動(dòng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的K1,步進(jìn)電機旋轉的方向將會(huì )發(fā)生改變。
六、  實(shí)驗報告
1、 繪出仿真波形,并作說(shuō)明。
2、 將實(shí)驗原理、設計過(guò)程、編譯仿真波形和分析結果、硬件測試結果記錄下來(lái)。

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