基于FPGA步进电机细分驱动控制毕业论文.doc

毕 业 设 计 论 文题目：基于FPGA步进电机细分驱动控制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注意事项1.设计（论文）的容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订目录摘要4ABSTRACT5第1章绪论61.1 引言61.2步进电机的特点与应用71.3课题研究的目的和意义8第二章步进电机的结构和细分驱动原理92.1步进电机的结构92.2步进电机的分类102.2.1永磁式步进电机102.2.2反应式步进电机112.2.3混合式步进电机122.3步进电机驱动技术概述142.4步进电机细分驱动的研究现状162.5步进电机细分驱动原理162.6测试原理192.7目前可以实现的方法与比较202.8本文主要工作212.9本章小结22第三章 FPGA以与VHDL语言233.1 可编程逻辑器件的发展概况233.2现场可编程门阵列FPGA结构253.3现场集成的编程方式273.4 VHDL语言283.4.1 VHDL语言的编写283.4.2 VHDL程序的顺序问题293.4.3 VHDL编程中的问题303.4.4 VHDL语言的组成以与编程的基础313.5本章小结32第四章步进电机细分驱动系统的硬件设计324.1 驱动系统的组成334.2驱动系统的总体方案设计344.3各子模块电路的设计354.3.1主回路与驱动电路的设计354.3.2电流测量电路设计以与反馈电路的设计364.3.3主控制芯片和周边电路的设计374.3.4 主回路与驱动功放电路的设计394.3.5光电隔离接口与电源设计414.3.6 保护电路的设计424.4本章小结43第五章步进电机细分驱动系统的软件设计445.1系统软件的实现445.2系统软件总体设计465.3控制部分475.3.1频率产生模块485.3.2总输出脉冲数控制模块495.3.3每秒输出的脉冲个数寄存器更新模块515.4脉冲发生电路软件的设计535.4.1 16bit计数器模块的设计545.4.2 脉冲叠加模块555.5 PWM波形的产生565.6积分分离式PI控制算法575.7本章小结58第六章仿真结果和实验结果与分析596.1 模块仿真596.1.1频率产生模块596.1.2脉冲管理模块596.1.3 PWM 发生器模块仿真606.1.4 PI 调节模块仿真616.2本章小结61结论63参考文献64致67摘要步进电机驱动系统具有开环控制精度高，成本低，控制简单的优点，应用十分广泛，但它也有低频共振等缺点。本文设计了一种基于FPGA的正弦波可变细分步进电机驱动系统，可有效地解决这个问题。该驱动系统可实现对步进电机的全数字化控制，采用FPGA芯片实现对步进电机驱动控制，并通过串口与上位机进行通讯，以实现在线参数调节与简单的电机位置控制、加减速控制功能；采用线性电流传感器IR2175实现对反馈电流的测量；采用智能功率模块IRAMX16UP60A实现对电机的驱动。这种硬件结构使该驱动系统具有体积较小，抗干扰能力较强，驱动能力较强，成本较低的优点。设计过程中采用自顶向下的模块化设计方法，用VHDL语言对电路进行描述，并用EDA工具进行了综合和仿真。优化设计了电流测量模块和PWM模块等关键性模块，使这两个模块在最高工作频率为150MHZ的FPGA芯片中达到了超过170MHz的性能，提高了芯片的对输入输出信号的控制能力。结合可编程状态机和普通状态机的部分优点，设计实现了一种可实现复杂逻辑功能的控制单元。该控制单元消耗资源很小，在采用流水线技术后，其指令可单周期执行，并且工作频率可达100MHZ 。本文还专门介绍了SPARTANIII芯片所提供的几种元件的使用方法。经测试表明，该驱动系统具有调试方便，抗干扰能力较强，驱动能力较强的优点。关键词 ：步进电机；FPGA；可变细分；正弦脉宽调制；驱动AbstractThedrivingsystem ofstepmotorhasbeenwidelyusedinindustry.It hastheadvantage of high accuracy of fixing position, low cost, control ease, and alsohas the disadvantage of resonance in low frequency in this paper, I have designeda FPGA-based driver to drive step motor which can using sine pulse widthmodulation to realize adjustable subdivision.This drivercancontrolthestepmotorinfulldigitalmode.It useFPGAtogenerate all control signals to exchange data with upper units by serialcommunication in order to adjust some parameter; use IR2175 which is a linearcurrent sensing IC to measure feedback current; use Motion-Smart PowerModule to drive the motor. Because of this architecture, this driver has theadvantages of small size, low cost,high anti-interference ability and lager drivingpower.Employingthetop-to-bottom designmethod,thecircuitwasdescribedbythe VHDL language, synthesized and simulated in the EDA environmentcurrent's measure module and PWM model are optimized, which can reach170MHz performance in a FPGA chip whose System performance is up to 150MHz. These two modules improve the chip's ability to control input signal andoutput signal. I have designed a control unit which combines some merit of statemachine and the Constant Coded Programable Stable Machine.This control unitoccupy little resource, and can support 100MIPS performance. In this paper, I have introduced some important components which are supported by SPARTAN-11 family.Accordingtoexperiment'sresult,thisdriverhastheadvantagesofeasydebugging,highanti-interferenceabilityandlagerdrivingpower.Keywords: Stepmotor; FPGA; AdjustableSubdivision; SPWM; Driving第1章 绪 论1.1 引言电气驱动控制系统是以电机为控制对象，以微电子芯片为控制核心，以电力电子功率变换器为执行机构，在自动控制理论的框架下组成的控制系统，其目的是通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Stepping motor、Pulse motor 或 Stepper servo，其应用发展已有约 80 年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动.就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力围不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。保证步进电机具有良好的工作特性是设计机电一体化产品与设备所必须考虑的问题之一。步进电动机不能直接接到交直流电源上，而必须使用步进电动机驱动器。步进电机工作性能的优劣，除了取决于步进电机本体的性能外，还取决于步进电机驱动器的优劣。实际上步进电动机本体与驱动器是密不可分的两部分，两者一起统称为“步进电机系统”或“步进电机单元”，其运行性能是电机和电路两者配合所反映出来的综合效果。因此，对步进电动机驱动系统的研究几乎是与步进电动机本体的研究同步进行的。1.2步进电机的特点与应用步进电动机是数字控制系统常用的执行电动机，具有如下优点：(1) 一种离散运动的执行装置，与现代数字控制技术有着在的联系，很容易与其它数字器件进行接口；(2) 位置误差无积累；(3) 位置采用开环方式控制，不需要位置反馈环节，系统结构简单；(4) 采用混合式步进电动机，除停转期间消耗电能少外，还具有记忆功能，可以在停电时将转子锁定在特定的位置上；(5) 动态响应快，易于起停、正反转与变速；(6) 系统简单实用，设计容易。但是步进电机自身也存在许多缺点，制约步进电动机应用的两个主要问题就是失步和振荡。由于步进电动机在大多数情况下采用开环运行的方式，对转子位置不做检测，它的主要运行性能指标完全依赖于供电电源、负载和电机本体。在极低频率下作连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置。这种运行状态为具有步进特征的连续运行状态，每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡的趋势越厉害。当脉冲频率等于或者接近于自由振荡频率f或者f/k(k=1, 2, 3)时，如果阻尼作用不强，就会出现严重的振荡甚至失步和无法工作，这就是步进电机的低频共振现象，一般不允许在共振频率下运行。步进电机区别于其它控制用途电动机的最大特点是，它接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。因此，随着运动控制系统数字化的到来，步进电机的应用日益广泛。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也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。基于步进电机在应用上的诸多优点，步进电机作为自动控制系统中的重要执行部件，已经在许多工业控制系统中得到了应用。在计算机的外围设备（如打印机、卡片阅读机、主动轮驱动机构等）中总可以见到步进电机。步进电机也在数字控制系统、工具控制系统、程序控制系统中得到了广泛的应用。步进电机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。1.3课题研究的目的和意义步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机。它的主要优点是：可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价，位移与输入脉冲信号数对应，步距误差步长期积累，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统，无刷，电机本体部件少，可靠性高；易于启动、停止、正反转与变速，响应性好；停止时有自锁能力；步距角选择围大，可在几十角分至180度大围选择。在小步距情况下，通常可以在超低 速下保持高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载；速度可在相当宽围平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。但是，步进电动机运行工况存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高，严重制约了步进电动机的应用围。如果步进电机的能够克服低频振荡，降低振动，提高分辨率，而为此付出的代价不大的话，可以肯定步进电机的应用围将更广。采用细分控制策略研制的驱动器有望克服步进电动机运行工况中存在许多不足之处。但是目前的基于DSP的细分驱动器成本比较高，基于单片机细分驱动器性能不太好，并且没有较大的发展空间，基于专用控制芯片的细分驱动器通常只能用来驱动功率较小的步进电机。本课题是利用FPGA为控制模块，IR2175构成电流反馈模块，使用IR公司的IPM 模块作为电源功放级，构成低成本，高性能的步进电机驱动器，使之可以驱动一些功率稍大一点的混合式步进电机。FPGA的大容量，高速处理能力可以将所有的控制部分集成到FPGA芯片中，很大的提高了系统的可靠性。IR2175直接测量步进电机绕组的电流，以PWM 波的占空比的形式将电流反馈信号和过流反馈信号传送给FPGA.。 IPM模块的较强的驱动能力，使该驱动器可以驱动小型电机。这种新型的驱动器体积小，硬件结构简单，成本低，抗干扰，控制能力强，并可以很容易的实现驱动器的升级换代，一旦投入使用必将扩大步进电机的应用围，降低步进电机驱动系统的成本。第二章 步进电机的结构和细分驱动原理2.1步进电机的结构步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，英文名通常有stepmotor,stepping motor, stepper等等。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，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。步进电机可以简单的定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度(或长度)，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率围转速与控制脉冲频率同步的同步电机。步进电机的相数指电机部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相的为0.75°/1.5°，五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。2.2步进电机的分类通常步进电机一般可分为永磁式步进电机(PM StepMotor)，反应式步进电机(VR Step Motor)和混合式步进电机(Hybrid Step Motor)三类。2.2.1永磁式步进电机转子上安装永久磁钢的步进电机叫做永磁式步进电机。其定子上绕有绕组，转子装有磁钢，转子上磁钢的极数与定子每相绕组的极数一样。当电流从A端流入，O端流出，此时，磁极1, 3, 5, 7分别呈现S, N, S, N极性，定、转子磁场相互作用，产生整步转距，使转子转到定子和转子磁极间能产生最大吸引力的位置。当A端断开正脉冲信号，并且电流从B端流入，O端流出，磁极2, 4, 6, 8分别呈现S, N, S, N极性，即定子磁场轴线沿顺时针方向转动45度,整步转矩使转子也顺时针方向转动45度，以保持定、转子磁极间吸引力最大。接着B端断开正脉冲，并且电流从O端流入，A端流出，磁极1, 3, 5, 7分别呈现N, S, N, S极性，定子磁场轴线又沿顺时针方向转动45度，转子也同样转动45度。依此类推，当定子绕组按A+，B+，A-，B-，A相(假设电流从某相流入电机为正，流出为负)的顺序输入脉冲信号，转子将按顺时针方向做步进运动，这种通电方式称为二相四拍，还有双四拍工作方式，其通电顺序为：A+B+, B+A-, A-B-, B-A-。图2-1永磁式步进电机一般来说，在不同的相数和极数时，步距角为式中m表示为拍数;P表示为极对数永磁式步进电机具有动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步距角大(一般为7.5度或15度)，另外需要驱动电源提供正，负脉冲。这使驱动电源线路复杂化。由于以上原因，永磁式步进电机在需要精确定位的场合使用不多。2.2.2反应式步进电机反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，电机中仅定子有磁性，转子由铁心组成，无磁性。电机转矩是基于磁阻最小的原理产生的。一台三相反应式步进电机它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，这两个磁极的极性相反绕组接成星形。转子铁心与定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。转子铁心上没有绕组，转子齿数为40，每一个齿距对应的空间角度为当某一相绕组通电，例如A相绕组通电时，电动机建立以AA为轴线的磁场，由于定转子上均有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的每个极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以A相通电时，转子处于A相极下定转子齿对齿的位置。B相绕组的轴线，与A相绕组的轴线的夹角为120度。中间包含的齿距数为120/9=13+1/3齿距，即当A相极下定转子齿对齿时，B相磁极上定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线1/3齿距；C相磁极上定子齿的轴线，则沿ABC方向超前转子齿的轴线2/3齿距。在 A 相断电的同时，给B相通电，则建立以BB为轴线的磁场，磁场沿ABC方向转过了120度空间角。此时，转子齿的轴线将力求与B相磁极上定子齿的轴线对齐，以达到稳定平衡位置。很显然，比起A相通电时，即比起上图所示的位置来，转子沿ABC方向转过1/3齿距。相似地在B相断电的同时，给C相通电，则建立磁场的轴线的CC'方向，转子又沿ABC方向转过1/3齿距，以使C相极定转子齿对齿。可见，在连续不断地按A-B-C-A 的顺序分别给各相绕组通电时，电机磁场的轴线沿ABC方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角度为二相磁极轴线间的夹角120度而转子则每次转过1/3齿距，即3度空间角。当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿ABC方向转过360度空间角，转子沿ABC方向转过一个齿距磁场速度与转子转速的速比等于转子齿数。若用 m 表示运行拍数，z表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度的平均值即为步距角，可表示为：可看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子齿数成反比。反应式步进电机优点是步距角小、启动和运行频率高，缺点是断电时无定位转矩，消耗的功率比较大。2.2.3混合式步进电机混合式步进电机也是大家熟知的同步感应子电机，美国习惯于将这种电机称为永磁步进电机，一般当作低速同步电机用，当相绕组正常励磁时也有步进能力。这种步进电机通常有多相绕组，类似反应式的。定子则与反应式的完全一样，只是在转子上有永久磁铁或者单独的直流线圈产生的轴向磁场，它们的结构分别对应于图2-1和2-2所示。图中单向磁场的磁通均用虚线表示。此时，表示出了这是一台两相，每相4极绕组的步进电机。图中转子齿数Nr=50；定子实际上仅40个齿，每极5齿。但对于一个完整的定子圆周应有48个齿。由于嵌线需要在每个磁极上去掉一个齿。 图2-2混合步进电机的结构图一般，对特定的四相步进电机，定子绕组每相q个极与定子齿数Ns和转子齿数Nr的关系可得到Ns=Nr+k 图2-3混合步进电机的剖视图转子齿之一与磁极N1的中心线对齐，同样也与凸极N5对齐；此时凸极S8和S7的中心齿离转子最近为半个转子齿距。因此，这些齿是处在磁阻最大位置上。该步进电机具有两段不同的转子，且两段转子相互错开半个转子齿。所以，在B-B'截面处，凸极N1和N5的中心齿相对于转子齿正处在最大磁阻位置；而S3和S7下的齿正处在最小磁阻位置。由定子绕组产生交变磁通的磁路也在图2-3中表示。直流磁通和交流磁通相组合，作用在气隙里，由于交流磁通不通过永磁体，故无去磁效应。2.3步进电机驱动技术概述步进电机驱动技术指的步进电机驱动器的驱动级用来实现对步进电机各相绕组的导通和截止，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小有两种，即整步和半步。步距角由电动机的结构确定，一经设计完成后，只能改变脉冲的频率实现调速，从而造成了使用的单一性。同时绕组电流为方波，造成很大的转矩脉动，这种运动给步进电机的应用带来不少的弊病，最为显著的就是低频振荡现象。为了改善这个问题，出现了一种新型驱动方式，就是细分驱动技术。所谓细分驱动就是把步进电机的一步细分为若干步，这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步，实现微量进给。为了减小步距角，单从电机本体来解决是有限度的，于是设法将供电的矩形电流波改为阶梯状的电流波，这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的偏转角减小，从而大大改变步进电机的低频特性。细分驱动的思想早在六十年代就已经提出，但由于当时没有低成本的集成电路和优异的功率开关器件而未能付诸实施。七十年代后期，单片机技术日趋成熟和普与化，促进细分驱动技术的蓬勃发展。随着电流跟踪型PWM控制技术的发展以与恒流斩波技术的成熟，使得以恒流斩波技术为基础来控制绕组电流成阶梯状的细分驱动技术得到了广泛的应用，从而使得电动机的每转步数不受电机本体结构的限制。细分运行方式存在多种形式，但是三相混合式步进电机驱动系统的最佳细分方式是等步距角、等转矩的均匀细分运行方式。均匀细分运行方式的本质与电机理论中圆形旋转磁场的形成是一致的。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。 单电压驱动是指在电动机绕组的工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。它的优点是线路简单、成本低、低频时响应较好，缺点主要是存在共振区以与高频时带动负载的能力迅速下降。这种驱动方式目前很少被采用。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高控制力，而不是通过改善电路的时间常数来使性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。针对高低压驱动的缺陷，斩波恒流驱动采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接电阻，取样电阻又很小，因此整个系统的功耗非常小，电源效率较高，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、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，响应速度与可靠性不太高。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，频率以与电动机的通电相序，便可获得所需的转角，转速以与转动方向。 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，实现步进电机部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。设矢量，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；，为步进电机中AB，BC，CD，DA两一样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式中，Nr为步进电机的转子齿数，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组合来减少和，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，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。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而幅值一样的正弦波电流，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。 QaQbQcQdSCLKCW/CCWPULSE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)。CWCCW Qa1001111001Qb1100110011Qc0110000110Qd0011001100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，步进电机的转速与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与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