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第3 0 卷第4 期2 0 0 6 年7 月江西师范大学学报(自然科学版)J O U R N A L0 FJ I A N G(IN 0 砌旺A LU N E 磷泐Y(N A r I 【I R A LS C N C E)V 0 1 3 0N o 4J u l 2 0 0 6文章编号：1 0 0 阻5 8 6 2(2 0 0 6)0 4 0 3 5 m 0 5E D A 技术在步进电机驱动中的应用邹道生(赣南师范学院科技学院，江西赣州3 4 1 0 0 0)摘要：介绍一种采用E D A 技术输出删控制信号，实现对步进电机驱动细分利用附中的嵌入式E A B 构成I J P M R O M 存放步进电机各相细分电流所需的冈控制波形数据表，并通过F H 认设计的数字比较器同步产生多路删电流波形，实现对四相步进电机转角进行均匀细分控制该设计简化了外围电路，控制精度高，控制效果好关键词：步进电机；细分控制；F P G A；数字比较器中图分类号：T M3 0 6文献标识码：A步进电机细分驱动技术是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从本质上讲是对步进电机的励磁绕组中电流的控制，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要想实现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均匀u 引采用附控制步进电机，利用附中的嵌入式E A B，可以构成存放电机各相电流所需的控制波形表利用黜设计的数字比较器可以同步产生多路删电流波形，对多相步进电机进行灵活控制若改变R O M 控制波形表的数据、增加计数器和比较器的位数，提高计数精度，就可以提高P w M 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用F P(认实现多路删控制，无须外接D A转换器，使外围控制电路大大简化，并且能获得良好的控制效果采用E D A 技术用硬件描述语言进行设计的控制模块，具有良好的通用性，可以方便地移植到各种F p G A c P L D 上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乃，为步进电机A，曰，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A B，B c，c D，D A 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乃一一一，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(3 6 泸角)时，电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角铅可表示为e B=8 M N r(D其中M 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与电机的相数(膨)和电机的运行拍数有关当电机以单4 拍方式运行时，=9 伊；当电机以四相8 拍方式运行时，=4 5 0 和单四拍方式相比，和都减小了一倍，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和因此，这样可达到的细分数很有限以四相反收稿日期：2 0 0 5 0 7 1 6基金项目：2 0 0 3 年江西省高校级教改课题(2 0 0 3 0 2 4)作者简介：邹道生(1 9 6 2)，男，福建连城人，副教授，主要从事电子电工教学与研究 万方数据第4 期邹道生，等：E D A 技术在步进电机驱动中的应用3 5 1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，使其按正弦或阶梯上升或下降，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幢J 通常采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即同时改变两相电流如和i 8 的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转厶和拓的变化曲线可描述为厶=f。c o s 戈，如=f。s i n 戈，其中，“、如分别为A 相和B 相电流，f。为相电流的最大值，菇为转动角度四相步进电机8 细分时的各相电流是以l 4 的步距上升或下降的，在两相乃，中间又插入了7 个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度将由8 步完成，实现了步距角的8 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2 步进电机细分驱动电路随着大规模集成电路邢I G A C P L D 制造工艺的提高，数字技术的迅速发展，为步进电机的细分驱动带来了便利采用E D A 技术进行控制，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电流对应的删值，存储在F P G A 的嵌入式R O M 中细分控制时，地址计数器自动产生地址送到L P M R O M，根据不同的地址R o M 输出相应的数据，输出到数字比较器，与线性锯齿波比较后输出网波形，并加到各相的功放电路上，控制功放电路给各相绕组通以相应的电流，实现步进电机的细分2 1步距细分的附系统构成以下先以四相电机为例来说明步进电动机的删细分原理图1 为四相步进电机的8 细分电流波形，从图1 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，电流可以变化个台阶，也就是电机位置可以细分为个小角度，这就是电机的一个步距角被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删计数器、R o M 地址计数器、P W M 波形R o M 存储器、比较器、功放电路所组成其中，P W M图1 四相步进电机8 细分电流波形计数器在时钟脉冲作用下递增计数，产生阶梯形上升的周期性的锯齿波，同时加载到四相步进电机各相数字比较器的一端；波形R o M 输出的数据A 3 0 、曰 3 o 、c 3 o 、趴3 0 分别加载到各数字比较器的另一端当P 删计数器的计数值小于波形R o M 输出数值时，比较器输出低电平；当P W M 计数器的计数值大于波形R o M 输出数值时，比较器输出高电平由此可输出周期性的删波形根据图l 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啸甯时钟存放于波形R O M 中，波形R o M 的地址由地址计数器产生地址计数器有3 个控制端，可以用于改变步进电机的旋转方向、转动速趸型度、工作停止状态F P G A 产生的P 删信号速度捱诵控制各功率管驱动电路的导通和关断删脉宽调制信号随R O M 数据而变化，改变R o M 中的数据就可以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，从而实现了步距细分目的输出细分电流信号采用卯G A 中R O M 查表法，它是通过在不同地址单元内写入不同图2 步进电机细分驱动结构图的删数据，用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分根据细分结构图所设计的F p G A 实验电 万方数据3 5 2江西师范大学学报(自然科学版)2 0 0 6 年路原理图如图3 所示!s t e p 一4 0 6 4：4c l k 2s t e p 一4 _ 的5c l r；而：五砌譬一正丁图3 步进电机阿M 控制实验电路图2 2 细分电流信号的实现从u M R O M 输出的数据加在比较器的A 端，P w M 计数器的计数值加在比较器的B 端，当计数值小于R o M 数据时，比较器输出低电平；当计数值大于R o M 数据时，比较器则输出高电平如果改变R O M 中的数据，就可以改变一个计数周期中高低电平的比例图2 中的删计数器是一个4 位的二进制计数器，将一个P W M 信号周期分为4 份2 3 细工作时序分析图4 是四相步进电机删仿真波形图，图中展示了麟控制步进电机的情况u M R o M 输出的1 2 位数据p 1 1 0 为八进制数据，作为步进电机各相电流的参考值，每3 位二进制(或者一位八进制)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。时，该相电流为0；输出数据为1 时，脉宽高电平占一个P 删周期的1 4；当输出数据为2 时，脉宽高电平占一个删周期的2 4；当输出数据为4 时，整个P 硼周期均输出高电平刚输出电流的平均值与旋转角度成正比图4 中给出了步进电机从A A B 一曰一曰c 一工作过程的仿真波形首先，步进电机A 相导通B、c、D 相截止，p 1 1 0 输出数据为4 0 0 0 Q，A 相的数据为4，其他相的数据为0 然后逐渐过度到A 曰相导通，p 1 1 0 输出数据为4 1 0 0 Q 一4 2 0 0 4 3 0 0 4 4 0 0 Q，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A 曰相再经过4 拍从A 曰相转到B 相，p 1 1 o 输出数据为3 4 0 0 旷2 4 0 咿1 4 0 0 _ 恻Q，A相的数据逐渐减小，从4 变为O 从A 到A B 到B 共经过了8 拍，实现了步距角的8 级细分由于步进电机是电感性负载，对输出的P W M 电流具有平滑滤波作用，对电机线圈起作用的是劂的平均电流，同时输出信号中的细小毛刺也被滤除3 应用实例采用A m R A 的E P l I(3 0 r I 1 4 4 芯片对步进电机进行控制实现了实验电路中对步进电机进行了8 级细分，I J P M R O M 表总长为8x4=3 2 个字节，地址计数器根据控制脉冲与方向输出I J P M R O M 地址，用来选择片内预先写好的数据，将它传送给P 删电路，从而实现不同步距细分数及方向控制当细分数为8 时，其细分电流波形共有8 个台阶，其周期为8 4=3 2 个控制脉冲R o M 地址计数器是一个可加减计数器，计数器的输出接U M R O M 的地址，计数器的D i r 为方向控制；E n 为使能控制；c l k 为速度控制通过D i r、E I l 和C l l【可 万方数据第4 期邹道生，等：E D A 技术在步进电机驱动中的应用3 5 3以控制步进电机的旋转方向、工作停止和旋转速度-P u d1，-c l r0-一c l k 2l，一c l kl-Y Al|l 厂丌几几n 几n。-Y BlInn 几m m I|I I 用r r 瞳几n，Y CO-，Y D0-_ l“1 1 0!鲤!塑X 望塑I!塑X!K!塑X；!X!X!塑QX 坚!QX!塑QXQ!QX!X!i!QX1 2 1 1X!I0 1 4 0 0图4 步进电机删仿真波形图试验测定显示，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3 1 实验结果分析为了了解步进电机在运动过程中，采用线性递增电流时，步进转角的周期性不均匀步进变化的原因，我们以电机从A A B B 的运动，对加在A、B 相上电流的合成矢量作进一步分析表1 中列出了A、曰相电流、，电流合成矢量的模，转动角度和步进转角的变化情况_。_。-。-_-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一由表1 中的数据可以看出，步进电机转动过程中，每一步的电流合成矢量的模坛+瑶是不同的，并且每一步的步进转角p 也时大时小因此，当电机从A A 8 一曰一曰c C C D D 一蹦一A 转动时，电流合成矢量和步进转角的不均匀变化导致了步进转角口的周期性不均匀步进变化表l 电流与4 细分转角关系2 2控制算法的改进为了能够使电机转角细分后能均匀地转动，对步进电机的A、B、c、D 各相加按照正、余弦规律变化的电流为了减小输出电流的量化误差，输出数据用5 位二进制数表示(0 3 1)下面以A、B两相步距角按照8 细分口=1 1 2 5。进行计算，计算结果如表2 所示表2电流与8 细分转角关系按照表2 中计算的数据对控制电流进行修正以后，步进转角均匀、电流合成矢量的模基本一致，误差主要来自于数据取整后的量化误差对原控制电路作相应的修改，计数器和数据比较器的宽度增加到5 位，将存储器R o M 中的数据宽度由原来的(4 4=1 6)1 6 位扩展到(4 5=2 0)2 0 位实验结果表明，在转角细分以 万方数据江西师范大学学报(自然科学版)2 0 0 6 年后，步进电机在转动过程中每一步的步进转角均匀、转动过程平稳实验结果表明，要使步进电机细分后获得均匀的步进转角，其P M 驱动电流应近似于正弦电流，而非线性递增的电流每一步转动时，相邻两相的步进电流的增加量应按照正、余弦波规律变化，并根据电机实际转角作适当调整由于瑚m 的输入时钟频率很高，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4 结束语本文对步进电机细分原理进行了分析，提出了采用E D A 技术实现步进电机细分的控制方案，并用F P G A进行步进电机细分控制的实验通过实验，我们看到采用)A 技术可以有效地控制步进电机利用腓A 中的嵌入式D 心存放步进电机转角细分电流所需的数据控制波形表，利用附设计的数字比较器可以同步产生多路网矿M 电流波形，对多相步进电机进行转角进行均匀细分、灵活控制若提高R O M 控制波形表的数据的位数、并增加计数器和比较器的位数，提高计数精度，就可以提高嗍波形的细分精度，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用麟可实现同步多路删控制，提高了步进电机运行平稳性和控制精度采用黜的删控制，无须外接D A 转换器，使外围控制电路大大简化，比目前单片机加D A 转换器的控制方案更加简洁、高效、节约成本参考文献：1 林海波步进电机恒力矩均匀细分驱动器的设计与实现 J 自动化技术与应用2 0 0 3，2 2(3)：5 2 _ 5 4 2 晋兆琼，夏超英，张建基于单片机的步进电机细分驱动的实现 J 电气传动和自动化，2 0 0 0(6)：8 1 3 3 楼智美二维运动电荷的M e i 对称性 J 物理学报，2 0 晒，5 4(3)：1 0-1 5 田地A l 呻l i I 训o n0 fE D AT 优l l 孤岫l l o 留i ns l l M i v j d e m M I l g0 fS t e】p 面唱M o t o rZ o UD 阶s h e I l g(D e p a 衄蜘t0 fT e c h 0 1 0 西c a lh l 出缸她，G a 蚰mT e 洳c o l k 伊，G a r l d 咖J i 丑叽酾3 4 1 0 0 0，c h i 越)A l】s t 瑚戍：T h ep a p e r 枷d u c e da 础u t i 叩i I ls u b l d i、，i d e dd r i v i n go fs t 印p i n g 脚t o rb y 瑚I r I so fE D At e c h n o l 0 舒p 丽d i l l g删c 砌啪0 彻U s i I l g 锄b e d e dE A Bi nF p G At o0 0 m p o s eI J P M R o M，s t o r e 删o o n t m lw a v e 蠡姗ld a t aw l i c hs t e p p i I l g 删I t o I e a c hp h a 舢、r i d e dd r i、d I l gc u r r e m 删T h en 邺i t u d ec 掣唿t 叫d e s i 印e dw i t l lF P(翘g e l l e I a 嘧V e m lP Mc u r r e n tw 鲫d!b r I n 畔h 珈o u s l y，t oI 瑚l l i zt l l e 曲叩锄g ke V e nd i v i s i o nc o r l t r 0：lf b r 胁p h a 8 es t e p p i I 培I n o-t o r T I l ed e s i g nr e d l l c I e de m e r a lc i r e u i t 肌dh a dl I i 曲c o l l t r o lp l c i s i o 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