关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制(PWM)式两种. 脉宽调制式细分驱动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.调制成具 连续运行域,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,也即与细分数 成反比. 3,步距细分的系统构成 图 13-1 为四相步进电机的 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.或者说,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 13-2 为步进电机细分驱动系统结构图.

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　　该系统是由 PWM 计数器,波形 ROM 地址计数器,PWM 波形 ROM 存储器,比较器,功放电路等组 成.其中,PWM 计数器在脉宽时钟作用下递增计数,产生阶梯形上升的周期性的锯齿波,同时加载到各 数字比较器的一端;PWM 波形 ROM 输出的数据 A[3..0],B[3..0],C[3..0],D[3..0]分别加载到各数字比较 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;当 PWM 计数器 的计数值大于波形 ROM 输出数值时,比较器输出高电平.由此可输出周期性的 PWM 波形.根据图 13-1 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波形 ROM 中,波形 ROM 的地址由地址计数器产生.通过对地址计数器进行控制,可以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 信号控制各功率管驱动电路的导通和关断,其中 PWM 信号随 ROM 数据 而变化,改变输出信号的占空比,达到限流及细分控制,最终使电机绕组呈现阶梯形变化,从而实现步距 细分的目的. 输出细分电流信号采用 FPGA 中 LPM_ROM 查表法,它是通过在不同地址单元内写入不同的 PWM 数据,用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分.示例电路原理图图 13-3 是根据图 13-2 设计的.

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　　式中,Nr 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 与电机的相数 (M)和电机的运行拍数有关. 当电机以单四拍方式运行时, M =90°;当电机以四相八拍方式运行时, M =45 ? ? °.和单四拍方式相比, ? M 和 ? B 都减小了一倍,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组合来减小 ? M 和 ? B .因此,这样可达到的细分数 很有限.以四相反应式步进电机为例,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中的电流,使 其按阶梯上升或下降,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 T A ,T B 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 ? M 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.本节示例采用四相步进电机八细分方案. 2,步进电机细分驱动电路 为了对步进电机的相电流进行控制,从而达到细分步进电机步距角的目的,人们曾设计了多种步进电 机的细分驱动电路.最初对电机相电流的控制是由硬件来实现的,每一相绕组的相电流用 n 个晶体管构成 n 个并联回路来控制,靠晶体管导通数的组合来控制相电流.这种细分驱动电路线路复杂,体积大,成本 高,而且电路一旦制造出来就难以改变其细分数,缺乏柔性,因此在目前的实用中已很少采用这种方法. 实践表明,如果使用 FPGA 进行数字控制,将为步进电机的细分驱动带来很大的便利.目前,最常用的开

　　4,细分电流信号的实现 从 LPM_ROM 输出的数据加在比较器的 A 端, PWM 计数器的计数值加在比较器的 B 端,当计数值小 于 ROM 数据时,比较器输出低电平;当计数值大于 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. 图 13-3 中的 PWM 计数器(CNT8)将整个 PWM 周期 4 等份. 5,细分驱动性能的改善 试验测定显示,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(摩擦力矩是不恒定的,或者说在一定范围内也是不确定的)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. 步进电机的电流矩角特性并非线性函数,而是近似于正弦函数.若使电流按线性规律上升或下降,必 然会造成每一细分步的步距角不均匀,从而影响步距精度. 为此在设计中,需要提高 LPM_ROM 数据精度, 将数据提高到十六位,使输出的步进细分电流近似为正弦电流,这样不仅提高了步距精度,而且可以改善 低频震荡. 6,细工作时序分析 图 13-6(a, b)是四相步进电机仿真波形图, 给出了步进电机从 A→AB→B→BC→…工作过程的仿真波形. 图中展示了 FPGA 控制步进电机的情况.LPM_ROM 输出的 16 位数据 p[15..0]为八进制数据,作为步进电 机各相电流的参考值,每 4 位二进制数值控制一相,分别用于控制步进电机 A,B,C,D 四相的工作电流. 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. 图中,Y3,Y2,Y1,Y0 分别表示 A,B,C,D 相电流,u_d 为方向控制,clk 产生线性递增的锯齿 波,clk5 为步进脉冲,P[15..0]为 LPM_ROM 输出数据. 从仿真波形可以看出,首先,步进电机 A 相导通,B,C,D 相截止,p[15..0]输出数据为 F000Q,A 相的数据为 F,其他相的数据为 0.然后逐渐过度到 AB 相导通;P[15..0]输出数据为 F600→F900→FC00 →FF00,B 相的数据逐渐增大,从 1 增大到 4.电机中的磁场经过 4 拍从 A 相转到了 AB 相,再经过 4 拍 从 AB 相转到 B 相,P[15..0]输出数据为 CF00→9F00→6F00→0F00,A 相的数据逐渐减小,从 F 变为 0. 从 A 到 AB 到 B 共经过了 8 拍,实现了步距角的 8 级细分.LPM_ROM 输出数据 P[15..0]的变化近似于正 弦信号的包络,使各相的输出电流 Y3~Y1 按照正弦规律均匀变化.由于步进电机是电感性负载,对输出 的 PWM 电流具有平滑滤波作用,对电机线圈起作用的是 PWM 的平均电流,同时输出信号中的细小毛刺 也被滤除. 实测结果表明,要使步进电机细分后获得均匀的步进转角,其 PWM 驱动电流应近似于正弦电流,而 非线性递增的电流.因此 ROM 文件中的数据进行适当选择,使每一步的电流增加量接近正弦波,并根据 实际转角作了适当调整.由于 PWM 的输入时钟频率较高,因此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.

　　步进电机作为一种电脉冲——角位移的转换元件,由于具有价格低廉,易于控制,无积累误差和计算 机接口方面等优点,在机械,仪表,工业控制等领域中获得了广泛的应用. 步进电机细分驱动技术是 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.1975 年美国学者 T.R.F redr ik sen 首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步 距角细分的控制方法.在其后的二十多年里,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 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,提高电机运行的平稳性,增 加控制的灵活性等. 采用 FPGA 控制步进电机,利用其中的 EAB 可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表和利 用 FPGA 设计的数字比较器可以同步产生多路 PWM 电流波形,对多相步进电机进行灵活的控制.当改变 控制波形表的数据,增加计数器的位数,提高计数精度,从而可以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.用 FPGA 实现多路 PWM 控制,无须外接 D/A 转换器,使外围控制电路大大简 化,控制方式简洁,控制精度高,控制效果好.用单片机和 DSP 的控制都难以达到同样的控制效果. 1,步进电机细分驱动原理 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 ,TD 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 ,TC D,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→T B→TC→TD,即磁 场产生了旋转.一般,当步进电机的内部磁场变化一周(360°)时,电机的转子转过一个齿距,因此,步进 电机的步距角 ? B 可表示为: ? ? ? M . B