基于FPGA步进电机细分控制电路的设计.doc

目 录 TOC \o 1-3 \h \u HYPERLINK \l _Toc31480 1 引言 PAGEREF _Toc31480 1 HYPERLINK \l _Toc2305 2 步进电机简介 PAGEREF _Toc2305 2 HYPERLINK \l _Toc17175 2.1 步进电机工作原理 PAGEREF _Toc17175 2 HYPERLINK \l _Toc24370 2.2 步进电机的励磁方式 PAGEREF _Toc24370 2 HYPERLINK \l _Toc1786 2.2.1 一相励磁 PAGEREF _Toc1786 2 HYPERLINK \l _Toc18889 2.2.2 二相励磁 PAGEREF _Toc18889 3 HYPERLINK \l _Toc1948 2.2.3 一-二相励磁 PAGEREF _Toc1948 3 HYPERLINK \l _Toc23890 2.3 细分驱动原理 PAGEREF _Toc23890 4 HYPERLINK \l _Toc2254 3 设计方案 PAGEREF _Toc2254 5 HYPERLINK \l _Toc12786 3.1 各个模块简要介绍 PAGEREF _Toc12786 6 HYPERLINK \l _Toc24433 3.2 各个部分仿真图介绍 PAGEREF _Toc24433 8 HYPERLINK \l _Toc6437 4 结论 PAGEREF _Toc6437 11 HYPERLINK \l _Toc11943 谢 辞 PAGEREF _Toc11943 12 HYPERLINK \l _Toc19125 参考文献 PAGEREF _Toc19125 13 HYPERLINK \l _Toc13181 附 录 PAGEREF _Toc13181 14 1 引言 步进电机是将电脉冲信号转变成角度位移或者线性位移的开环控制元件。在非超载的情况下电机的转速、停止位置只是取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只是周期性的误差而无累计误差的特点，使得步进电机在速度、位置等控制领域操作非常简单。 基于步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高、可开环应用等优点,它被广泛应用在工业自动控制、仪器仪表等领域。然而步进电机在低频运行时存在振荡现象并且产生很大的电磁噪声, 另外步进电机的固有步进角多在0. 45~1. 8
之间, 在精密、稳定控制场合, 用普通的方法驱动步进电机不能获得理想的步进控制精度和运行平稳度。因此需要通过步进电机细分技术来改善。 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，细分驱动技术能够大大提高步进电机的步距分辨率, 减小转矩的波动, 避免低频振荡, 降低运行时的噪声，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。 现场可编程门阵列( Field Programmable Gate Array, FPGA)集成度高、通用性好、设计灵活且性能稳定, 能够极大地缩小电路板的面积, 提高电路的稳定性。因此本次设计的步进电机细分驱动器以FPGA为核心, 采用脉宽调制( PulseWidthModulation, PWM)斩波恒流驱动技术,细分数为8。本驱动器可使步进电机带动负载连续平稳地运行, 控制精度高, 灵活性好。 2 步进电机简介 2.1 步进电机工作原理 步进电机有三线制、五线制和六线制，但其控制方式均是相同的，都要以脉冲信号电流来驱动。假设没旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进1.8°，其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电机的正反转均是有励磁脉冲产生的顺序来控制。六线制四相步进电机是比较常见的，它的控制等效电路如图1所示，它有四条励磁信号引线A，B,C,D,通过四条引线上励磁脉冲产生的时刻，即可以控制步进电机的转动，每出现一个脉冲信号，步进电机只走一步。因此，只要依照固定的顺序不断送出脉冲信号，步进电机就能够一直连续转动。 图1 步进电机的等效电路图 2.2 步进电机的励磁方式 步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁两种。其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分；半步励磁称为一-二相励磁。假设没旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以