13.1步进电机细分驱动控制.pdf

13.1 步进电机细分驱动控制 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T ，T B ，T ，T 为步进电机A ，B ，C， A B C D D 四相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量；TAB ，TBC ，TCD ，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→TB→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θB 可表 θ 示为：θ M 。 B N r 式中，Nr 为步进电机的转子齿数；θM 为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。 θ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， =90 °;当电 θ M M 机以四相八拍方式运行时， =45 °。和单四拍方式相比， 和 都减小了一倍，实现 θ θ θ M M B 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。 θ θ M B 353 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