基于FPGA步进电机细分驱动控制(4)

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效率较高，因而恒流斩波电路应用相当广泛。这种还可以消除共振现象，只是线路相对复杂。

使用以上的驱动技术的步进电机的步距角只有整步工作或半步工作，步距角已由电动机结构确定。要想得到更小的步距角，目前只能采用细分驱动技术。其基本思想是每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，这样电机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分。现在的高性能步进电机驱动器基本上都采用了这种驱动技术。

细分驱动技术实际上是直接控制绕组电流的变化来驱动电机，这使得很多学者从这个思路出发寻求不同类型的步进电机需要的最佳驱动电流波形规律。他们所认为混合式步进电机绕组的最佳驱动电流波形可近似为正弦波这就是本设计采用的驱动方式。

2.4步进电机细分驱动的研究现状

步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。国内外研究步进电机细分驱动的文献很多，分别对细分数、均匀步距、恒转矩、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究，总结分析这些研究的特点如下：

(1)必须产生真实的给定细分电压波形，并且普遍采用可逆循环计数器对EPROM 存储器进行寻址，再经D/A转换器后输出，利用模拟器件进行输出调节。对反馈电流的测量，一律使用霍尔传感器。离线计算出步进电机励磁状态转换表，求出所需的环形分配器输出状态表后存入EPROM中。此模式实际上是一种软硬件结合的技术，通过对EPROM存储器的软件编程即可实现不同细分波形的输出。

(2)由于步进电机的电机绕组电流与电机转子转角之间的非线性关系，很难精确的计算出来，因此都采用近似的方法。获得近似均匀步距的细分波形的常用方法有以下三种：数值插值法、近似波形法、曲线拟合法。然后经过进一步实验修正，最终达到近似均匀步距。

(3)通用性较弱是步进电动机细分驱动的又一特点，各研究单位基于不同的目标和机型开发不同的细分驱动电路，一般都具有较强专用性，基于功率、微步距指标、

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噪音指标等参数不同要求驱动电路不能“兼容“。一旦应用指标、电机型号改变，驱动系统必须重新设计。没有统一的接口标准，进一步降低通用性。

通过以上分析，步进电机细分驱动理论己趋于成熟，但目前细分驱动器的设计仍有以下不足：

(1)使用的器件较多，使调试复杂，系统占用空间较大，而且抗干扰能力差。 (2)对励磁状态转换表的修正是相当繁琐的过程，很难实现在线调节。 (3)通常采用单片机为控制单元，响应速度及可靠性不太高。

2.5步进电机细分驱动原理

每给一个脉冲，步进电机转子转过一个步距角，即电动机的角位移与脉冲个数成正比，旋转方向与绕组的通电顺序一致。转速与加到步进电机的脉冲信号的频率成正比，简言之，主要控制输入脉冲的数量，频率以及电动机的通电相序，便可获得所需的转角，转速以及转动方向。

从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转过的角度成为步距角。通常通电方式有：三相单三拍，三相双三拍，三相六拍。

步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。设矢量TA，TB，TC为步进电机A，B，C，D四相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量；TAB，TBC，TCD，TDA为步进电机中AB，BC，CD，DA两相同时通电产生的合成磁场矢量。当给步进电机的A，B，C，D四相轮流通电时，步进电机的内部磁场从TA-TB-TC-TD，即磁场产生了旋转。一般地，当步进电机的内部磁场变化一周时，电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角

???可表示为?bm式中，Nr为步进电机的转子齿数，bNr?m为步进电机运行

时两相邻稳定磁场之间的夹角。它这个夹角与电机的相数和电机的运行拍数有关。当电机以单四拍方式运行时，夹角为90度，当电机以四相八拍运行时，夹角为45度。和单四拍方式相比，它们都减少了一半实现了步距角的二细分。但是在通常的步进电机驱动线路中，由于通过各相绕组的电流是个开关量，即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各相绕组产生的磁场也是一个开关量，只能通过各相的通电

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组合来减少

?m和

?b，因此，这样可达到的细分数很有限。以反应式步进电机来说，

最多只能实现二细分，对于相数较多的步进电机可达到的细分数要大一些，但很有限。因此要使可达到的细分数较大，就必须能控制步进电机各相励磁绕组的电流，使按阶梯上升或下降，即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态，这样，相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态。四相步进电机八细分时的各相电流是以1/4的步距上升或下降的，在两相TA，TB中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度将由八步完成，实现了步距角的八细分。由此可见，步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流。

步进电机的细分控制本质上是对步进电机的励磁绕组中的电流进行控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。合成的磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的夹角大小决定了该步距角的大小。

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图2-4三相绕组电流的幅值和相位关系示意图

对于三相混合式步进电机而言，向A，B ，C 三相绕组分别通过相位相差2/3而幅值相同的正弦波电流，见上图，则合成的电流矢量做幅值恒定的旋转运动，其对应的合成磁场矢量也作相应的旋转。三相混合式步进电动机是介于永磁电机和磁阻电机

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之间的一种电机，其工作原理十分类似于交流永磁同步电机。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。混合式步进电机保留了电磁铁的基本特征，各相绕组之间彼此独立，绕组之间互感小，其主磁通由永磁体建立，幅值恒定，各相绕组工作时只是改变主磁通的行进路径。可以以永磁式同步电动机的结构模型分析三相混合式步进电机的转矩特性。从同步电机控制的角度来控制步进电机，这就从根本上跳出步进电机细分控制是对相电流控制的限制，实现了全新的脉冲细分控制。

从前面的分析可知，步进电机细分控制的实质是通过对步进电机定子绕组电流的控制，使步进电机每步的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量决定了步进电动机旋转力矩的大小和步距角的大小。最佳的细分方式是均匀细分，要想实现对步进电机的恒力矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。

2.6测试原理

步进电机是由输入的脉冲信号来加以控制的。其最大特征是容易精确地控制机械位置。步进电机的总旋转角度与脉冲总数呈比例电机的速度与每秒输入的脉冲数目成比例。

CW/CCW S Qa Qb Qc Qd PULSE CLK

图2-5四相步进电机驱动电路

现在广泛使用的4相步进电机驱动电路，此电路由4BIT双方向移位暂存器构成，每次当脉冲输入CLK端子时往右或往左 (CW或CCW)移位 (Shift)。

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Qa Qb Qc Qd 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 CW 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 CCW 0 1 1 0 1 1 0 0 图2-6为移位寄存器的4个输出在移位时的状态

当移位暂存器移位一次，步进电机就会转一个角度，而暂存器的移位是由输入到CLK的脉冲所决定的，每输入1个脉冲则移位一次，因此，步进电机的转速及所旋转的角度就由输入脉冲的速率和总脉冲数所决定。

如果步进电机仅需能够旋转即可的场合，则只要脉冲产生电路所产生的脉冲供给步进电机即可。但是，在实际上，我们往往需要调节步进电机的旋转速度或旋转量，看看是否符合我们的要求。测试一个步进电机是否能完全同输入脉冲同步，就需要一个能精确设定脉冲速率和脉冲总数的脉冲发生器。有了这样的脉冲发生器，就可以控制步进电机完成一系列复杂的动作，例如加速、减速等。

2.7目前可以实现的方法及比较

要实现上述的脉冲信号发生器，有多种实现方法可供选择，具体如下： (1)模拟电路的方法

用模拟电路实现的方法见下图。图中的纵向坐标代表了电压和输出脉冲频率的大

小，从图中可以看出，不同的电压大小可以得出不同频率的输出脉冲

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