（1 . 金华职业技术学院电子工程系， 浙江 金华 321017； 浙江 杭州 310018） 2 . 杭州电子科技大学电子信息学院， 摘要： 介绍一种采用 FPGA 输出 PWM 控制信号对步进电机细分驱动的实现方法。利用 FPGA 中的 嵌入式 EAB 构成 LPM-ROM， 存放步进电机各相细分电流所需的 PWM 控制波形数据表， 并通过 FP同步产生多路 PWM 电流波形， 实现对四相步进电机转角进行均匀细分控 GA 设计的数字比较器， 制。该设计简化了外围电路， 控制精度高、 效果好。 关键词： 步进电机； 细分控制； 现场可编程门阵列； 电子设计自动化 中图分类号： TN401 文献标识码： A 文章编号： （ 1001 - 9146 2005） - 0009 - 04 03

　　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。在此以 4 相反应式步进电机为例， 设矢量 TA， B， C， D 为步进电机 A， ， T T T B ， 4 相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量。 TAB， BC， CD， DA 为步进电机中 AB， ， ， 2 相同 C D T T T BC CD DA 时通电产生的合成磁场矢量。当给步进电机的 A， ， ， 4 相轮流通电时， 步进电机的内部磁场从 TA B C D 即磁场产生了旋转。一般情况下， 当步进电机的内部磁场变化一周 360º） 电机的转 （ 时， → TB→ TC→ TD， 子转过一个齿距， 因此， 步进电机的步距角θ 可表示为： B θ M θ=N B

　　随着数字技术的发展， 为步进电机的细分驱动带来了便利。采用 EDA 技术进行控制设计， 可根据 细分要求的步距角， 事先计算出电机各相绕组中通过的电流对应的 PWM 值， 存储在 FPGA 的嵌入式 地址计数器自动产生地址送到 LPM-ROM， 根据不同的地址， ROM 中。细分控制时， LPM-ROM 给出相应 并加到各相的功放电路上控制功放电路给 的数据到数字比较器， 与线性锯齿波比较后输出 PWM 波形， 各相绕组通以相应的电流， 实现步进电机的细分。 目前， 常用的步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制式两种， 在此介绍后者。该驱动电路是把 控制信号加在脉宽调制电路的输入端， 将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波， 通过对功放管 通断时间的控制， 改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载， 对电流有一定的 滤波作用， 而且脉宽调制电路的调制频率较高， 一般大于 20 kHz， 因此， 虽然是断续通电， 但电机绕组中 的电流是平稳的。和斩波式细分驱动电路相比， 脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高、 工作频率稳 定。由于电路的关键是脉宽调制， 它的作用是将给定的电压信号调制成接近连续的信号， 角速度的波动 也随着细分数的增大而减小。一般角速度波动与步距角成正比， 与细分数成反比。 2.1 步距细分的 FPGA 系统构成 图 1 为 4 相步进电机的 8 细分电流波形， 从图中可以看出， 一般情况下总有二相绕组同时通电。一 相电流逐渐增大， 另一相逐渐减小。对应于一个步距角， 电流可以变化 N 个台阶， 也就是电机位置可以 细分为 N 个小角度， 这就是电机的一个步距角被 N 细分的工作原理。也可以说， 步距角的细分就是电 机绕组电流的细分， 从而可驱动步进电机平滑运行。 图 2 为步进电机细分驱动系统结构图。步距细分电路是由 PWM 计数器、 ROM 地址发生器、 PWM 波 形存储器、 比较器、 功放电路所组成。其中， 产生阶梯形上升 PWM 计数器在时钟脉冲作用下递增计数， 的周期性锯齿波， 同时加载到 4 相步进电机各相数字比较器的一端； 波形 ROM 输出的数据 A 3 . . 0］ B ［ 、 ［3 . . 0］ C 3 . . 0］ D 3 . . 0］ 、 ［ 、 ［ 分别加载到比较器的另一端。当 PWM 计数器的计数值小于波形 ROM 输出数 值时， 比较器输出低电平； 而当大于波形 ROM 输出值时， 比较器输出高电平。由此可输出周期性的 波形。根据图 1 步进电机 8 细分电流波形的要求， 将各个时刻细分电流波形所对应的数值存放于 PWM

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　　［2］ 转的细分方法 ， 即同时改变两相电流 iA 和 iB 的大小， 使电流合成矢量等幅均匀旋转。 iA 和 iB 的变化曲线可描述为：

　　在两相 TA， B 中间又插入了 7 个 4 相步进电机 8 细分时的各相电流是以 1 / 4 的步距上升或下降的， T 稳定的中间状态， 原来一步所转过的角度θ 将由 8 步完成， 实现了步距角的 8 细分。由此可见， 步进电 M 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。

　　以上对步进电机细分原理进行了分析， 提出了采用 EDA 技术实现步进电机细分的控制方案， 并用 FP进行步进电机细分控制的设计。采用 FPGA 的 PWM 控制， 无须外接 D / A 转换器， 使外围控制电路大为 GA 简化， 比目前单片机加 D / A 的控制方案更加高效。测试表明， 采用 EDA 技术和 FPGA 可以有效地控制步进 电机。通过利用 EAB 存放电机转角细分电流所需的数据表， 由数字比较器同步产生多路 PWM 电流波形， 对多相步进电机的转角进行均匀细分。若提高波形表数据的位数， 增加计数器和比较器的位数， 就可以提 高 PWM 波形的细分精度， 对步进电机的步进转角进行任意细分， 实现步进转角的精确控制。

　　端， 当计数值小于 ROM 数据时， 比较器输出低电平； 当计数值 图 1

　　图 2 是步进电机细分驱动结构图， LPM-ROM 输出的数 从 据加在比较器的 A 端， PWM 计数器的计数值加在比较器的 B

　　大于 ROM 数据时， 比较器则输出高电平。如果改变 ROM 中的数据， 就可以改变一个计数周期中高低电 平的比例。其中的 PWM 计数器是一个 4 位二进制计数器， 这样就将一个 PWM 信号周期分成了 4 等份。 2.3 细工作时序分析 图 3 是 4 相步进电机 PWM 仿真波形图， 图中展示了 FPGA 控制步进电机的情况。 ROM 输出的 12 位数据 ［11 . . 0］ 为八进制， 作为步进电机各相电流的参考值， 3 位二进制 1 位八进制） 每 （ 数值控制一个 p 相， 分别用于控制步进电机 A、 、 、 4 相的工作电流。对于每一相来说， 当输出数据为 0 时， 该相电流 B C D 为 0； 输出数据为 1 时， 脉宽高电平占一个 PWM 周期的 1 / 4； 当输出数据为 2 时， 脉宽高电平占一个 PWM 周期的 2 / 4； 当输出数据为 4 时， 整个 PWM 周期均输出高电平。 PWM 输出电流的平均值与旋转角度成 正比。 图 3 中也给出了步进电机从 A→AB→ B→ BC→…工作过程的仿真波形。首先， 步进电机 A 相导通， ［ 输出数据为 4000Q； 相的数据为 4， 其他相的数据为 0。然后逐渐过度到 AB 相 B、 、 相截止， 11 . . 0］ C D p A 导通， 11 . . 0］ ［ 输出数据为 4100Q→4200→4300→4400Q， 相的数据逐渐增大， 1 增大到 4。电机中的 从 p B 磁场经过 4 拍， A 相转到了 AB 相。再经过 4 拍， AB 相转到 B 相； 11 . . 0］ 从 从 ［ 输出数据为 3400Q → p 从 实现了步距角的 2400→1400→0400Q， 相的数据逐渐减小， 4 变为 0。从 A 到 AB 到 B 共经过了 8 拍， A 对输出的 PWM 电流具有平滑滤波作用， 对电机线 级细分。此外由于步进电机是电感性负载， 用的是 PWM 的平均电流， 因此在效果上将图中的细小毛刺电流滤除。

　　［1］ 提高电机运行的平稳性， 增加控制的灵活 均匀 。步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，

　　再利用数字比较器 性等。利用 FPGA 中的嵌入式 EAB 可以构成存放电机各相电流所需的控制波形表， 同步产生多路 PWM 电流波形， 对多相步进电机进行控制。若改变控制波形表的数据、 增加计数器和比 进而对步进电机的步进转角进行任意 较器的位数， 提高计数精度， 就可以提高 PWM 波形的细分精度， 级细分， 实现转角的精确控制。

　　式中， r为步进电机的转子齿数；M 为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。 M 与电机的 N θ θ

　　相数 M） （ 和电机的运行拍数有关。当电机以单 4 拍方式运行时，M = 90º； 当电机以 4 相 8 拍方式运行 θ 时，M = 45º。和单 4 拍方式相比，M 和θ 都减小了一倍， 实现了步距角的二细分。但是在通常的步进 θ θ B 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组合来减小θ 和θ 。因此， 这样 M B 可达到的细分数很有限。对于 4 相反应式步进电机， 最多只能实现二细分， 对于相数较多的步进电机可 达到的细分数稍大一些， 但也很有限。因此若要实现的细分数较大， 就必须能有效地控制步进电机各相 励磁绕组中的电流， 使其按正弦或阶梯电流幅度方式上升或下降， 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。 步进电机步距角细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋

　　步进电机细分驱动技术是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性 能的驱动控制技术。步进电机的细分控制从本质上讲是对步进电机的励磁绕组中的电流的控制， 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。相邻两合成磁场矢 量之间的夹角大小决定了步距角的大小。要想实现对步进电机步距角均匀细分控制， 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； 每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化要

　　波形 ROM 中， 波形 ROM 的地址由地址计数器产生。地址计数 器有 3 个控制端， 可用于改变步进电机的旋转方向、 转动速度、 工作 / 停止状态。 FPGA 产生的 PWM 信号控制驱动电路的导 通和关断。 PWM 信号随 ROM 数据而变化， 改变 ROM 中的数 据就可以改变输出信号的占空比， 实现限流及细分控制， 最终 使电机绕组电流呈现阶梯形变化， 从而达到步距细分的目的。 细分电流信号的实现

　　对上述电路进行测试后的结果显示， 在线性电流的驱动下， 步进电机转子的微步进是不均匀的， 呈

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　　现出明显的周期性波动。磁场的边界条件按齿槽情况呈周期性重复是导致微步距角周期性变化的根本 原因， 同时， 不可避免的摩擦负载以及其它负载力矩的波动导致失调角出现不规则的小变动或小跳跃， 也使微步距角曲线在周期性波动上出现不光滑的小锯齿形。实验结果表明， 要使步进电机细分后获得 均匀的步进转角， PWM 驱动电流应近似于正弦电流， 其 而不是线性递增的电流。因此可以修改波形数 据， 使每一步的电流增量逼近正弦波， 并根据实际转角作调整。由于 PWM 的生成时钟频率很高， 通过 这些改进措施， 可以获得均匀的平均电流， 并且每一步的时间间隔相等， 转角近似均匀。