基于FPGA的步进电机控制系统设计与实现---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴

基于FPGA的步进电机控制系统设计与实现
重庆大学硕士学位论文
学生姓名：黄露
指导教师：张玲教授
专业：通信与信息系统
学科门类：工学
重庆大学通信工程学院
二O一一年四月
Design and Implementation of the Control System for Stepper Motor Based on FPGA
A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Degree of Master of Engineering
By
Huang Lu
Supervised by Prof. Zhang Ling
Major:Communication and Information System
College of Communication Engineering of
Chongqing University , Chongqing, China
April, 2011
摘要
步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或线位移的机电元件，因其具有成本低、易于精确控制、无累积误差等优点，在生产、生活中的很多领域有广泛应用。

本文以两相混合式步进电机为控制对象，在分析步进电机的特点和工作原理的基础上，设计了基于FPGA的两轴联动控制和细分驱动控制的实现方案。

本文的内容主要包括两大方面，第一方面是步进电机的联动控制。

在生产过程中，同时控制多台设备工作需要多台电机来操作。

针对这种情况，本文采用数字积分插补算法来实现步进电机的多轴联动控制。

插补算法的特点是易于实现多坐标插补联动，具有运算速度快，逻辑功能强，脉冲分配均匀等。

在深入分析数字积分插补算法原理的基础上，本文根据有限状态机的方法采用Verilog HDL硬件描述语言，实现了数字积分插补器DDA程序模块的编写，并设计了插补联动控制系统的验证电路。

经实验验证，设计方案能实现两轴联动及实时性控制要求。

第二方面设计了步进电机的细分驱动控制电路。

步进电机在低频工作时，分辨率不高，容易产生振荡，运行不够平稳，无法满足高精密度的要求。

为此，本文在分析细分驱动技术的原理上，采用电流矢量恒幅均匀旋转的SPWM正弦细分方法设计了细分驱动控制电路。

控制电路包括地址发生器、双口ROM、数据变换器、PWM调制和数字变向器的设计。

该控制电路能够使步进电机的步距角均匀细分，并能提高步进电机的运行平稳性。

为了使步进电机能够顺利运行，本文还设计了驱动器的硬件电路板，利用Protel 99绘制了驱动电路的原理图，并制成PCB板。

最后以FPGA为核心，结合两相混合式步进电机和驱动器进行综合测试，结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，步进电机的运行性能得到改善，具有一定的实用价值。

关键词：步进电机，两轴联动，数字积分插补，细分驱动，SPWM
ABSTRACT
A stepper motor is a kind of electromechanical component that can turn the electrical pulse signal into the mechanical angular displacement or linear displacement. Because of the advantages of low cost, precise control and non-cumulative error, the stepper motor is applied widely in many fields of production and life. This paper takes two-phase hybrid stepper motor as a control object. According to the analysis of stepper motor’s characteristics and working principle, t his paper design the schemes, which achieves two-axis linkage control and subdivision drive system of the stepper motor based on the FPGA.
This paper is divided into two parts. In the first part, the paper studies stepper motor’s linkage control. The process of production require s many motors to operate lots of devices to work together. In view of this situation, the paper points out that adopting the digital integral interpolation algorithm can achieve multi-axis linkage control of the stepper motor. The characteristics of the interpolation algorithm are to easily achieve the multi-coordinate interpolation linkage, the high-speed operation, the strong logical function, and the uniform pulse distribution, etc. On the basis of the deep analysis of the digital integral interpolation algorithm principle, this paper adopts the Verilog HDL hardware to describe language according to the finite state machine, and succeeds in compiling programs about the digital integral interpolation and designing the confirmative circuit of the interpolation coordinated control system. The outcome of the experiment shows that the design can meet the needs of both two-axis movements and a real-time control.
The second aspect focuses on the subdivision drive control system of the stepper motor. While working with the low frequency, the resolution of the stepper motor is not high, which tends to cause oscillation and unsteady operation. Therefore, the stepper motor cannot meet the requirements of high-precision. For this reason, based on the analysis of subdivision drive technology principle, this paper applies SPWM sinusoidal subdivision method of current vector constant amplitude rotation to design a subdivision drive control circuit. The control circuit includes the address generator, the double-channel ROM, the data converter, the PWM modulation and the design of the digital converter. This method can have the step angle subdivided evenly, and can improve the smooth operation of the stepper motor.
In order to make the stepper motor run smoothly, this paper also designs a hardware circuit board, and draws a drive circuit schematic by Protel 99 and makes a PCB board. Finally, centered on FPGA, the paper carries out a comprehensive test, which combines the two-phase hybrid stepper motor with the driver. The result of the test shows that the system hardware and the software design are reasonable and feasible, and that the operation of the stepper motor is improved, which has a certain practical value.
Key words: Stepper motor, Two-axis movements, Digital Integral Interpolation, Subdivision Driver, SPWM.
目录
中文摘要 (I)
英文摘要 (II)
1 绪论 (1)
1.1步进电机的发展概述 (1)
1.2FPGA开发环境与工具 (2)
1.2.1 Quartus II开发软件 (2)
1.2.2 硬件描述语言（HDL） (3)
1.2.3 Verilog HDL (3)
1.2.4 Verilog HDL和VHDL的比较 (3)
1.3本课题研究的背景及意义 (4)
1.3.1 本课题研究的背景 (4)
1.3.2 论文选题的意义 (5)
1.4论文的主要内容 (5)
1.5本章小结 (5)
2 步进电机的原理 (6)
2.1步进电机的分类 (6)
2.2步进电机的工作原理 (6)
2.3步进电机的控制原理 (8)
2.4本章小结 (9)
3 步进电机的两轴联动插补控制 (10)
3.1数字积分插补算法 (10)
3.1.1 数字积分器的工作原理 (10)
3.1.2 数字积分法的直线插补 (12)
3.2数字积分插补算法的FPGA实现 (15)
3.2.1 DDA设计 (15)
3.2.2 验证结果 (18)
3.3步进电机联动控制的设计方案 (18)
3.3.1 分频器 (20)
3.3.2 步进电机工作方式控制器 (21)
3.3.3 实验验证结果 (22)
3.4本章小结 (22)
4 步进电机PWM细分驱动电路的设计 (23)
4.1步进电机细分技术原理 (23)
4.1.1 细分驱动控制原理 (23)
4.1.2 细分驱动技术的发展 (25)
4.1.3 电流矢量恒幅均匀旋转法 (26)
4.1.4 细分驱动的SPWM控制 (27)
4.2两相混合式步进电机SPWM细分驱动系统的设计 (28)
4.2.1 细分驱动系统设计的总体思路 (28)
4.3细分驱动系统各模块基于FPGA的实现 (29)
4.3.1 地址发生器模块 (29)
4.3.2 双口ROM模块 (30)
4.3.3 数据变换器模块 (31)
4.3.4 PWM调制器模块 (32)
4.3.5 数字变向器的设计 (33)
4.4本章小结 (34)
5 步进电机细分驱动器的设计与实现 (35)
5.1驱动器电路总体结构 (35)
5.2电路各部分器件介绍 (37)
5.2.1 高速光耦器件HCPL2630 (37)
5.2.2 桥式驱动芯片IR2110 (38)
5.2.3 MOS场效应管IRF530 (40)
5.2.4 电源电路 (41)
5.3细分驱动电路板 (42)
5.4本章小结 (42)
6 步进电机控制系统的FPGA验证 (43)
6.1系统的硬件 (43)
6.1.1 FPGA的Cyclone系列芯片EP1C12Q240C8 (43)
6.1.2 两相混合式步进电机 (43)
6.1.3 步进电机的驱动器 (44)
6.2系统验证方法的实施 (44)
6.2.1 细分驱动系统整体电路 (44)
6.2.2 验证的实施 (46)
6.3验证的结果 (49)
6.4本章小结 (49)
7 总结与展望 (51)
7.1总结 (51)
7.2后续研究工作的展望 (51)
致谢 (52)
参考文献 (53)
附录 (56)
A.作者在攻读学位期间发表的论文目录 (56)
B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 (56)
1 绪论
1.1 步进电机的发展概述[1~3]
步进电动机和异步电动机、直流电动机不同，它是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的执行元件。

每当给步进电机输入一个脉冲信号，它就相应地转动一步。

由于它的运行是一步一步的，所以称为步进电动机。

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为step motor或stepping motor、plus motor、stepper motor 等等。

步进电机应用在数字控制的开环系统时，具有良好的定位精度，并且价格低廉、易于控制、无积累误差等优点，因此在很多领域有广泛的应用，具有较高的实用价值[1]。

步进电动机的原始模型起源于1830年至1860年间，它的机理是基于电磁铁的定位作用。

最初的步进电动机是以控制为目的，主要应用在氨弧灯的电极输送机构、电话自动交换机、缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统。

20 世纪60 年代后期，随着永磁材料和半导体技术的发展，步进电动机的应用领域越来越广泛。

从发展趋向来看，步进电动机已经能与直流电动机、交流电动机等并列，从而成为电动机的一种基本类型[2]。

自1958年以来，我国开始研究及制造步进电动机。

当时主要是一些高等院校和科研机构在使用步进电机，目的是研究一些装置或开发少量的步进电机产品[2]。

60年代末，70 年代初期，由于电子工业及数字控制技术的发展，步进电动机的生产和研究才有所突破，尤其是驱动器设计方面，有了长足进步。

70 年代中期至80 年代中期为产品发展阶段，在80年代后期，随着微处理器在数控系统的应用，步进电机的发展有了更广阔的空间，新品种高性能的步进电机不断被开发出来。

步进电机按结构不同可分为三大类型：反应式也即磁阻式VR型(Variable Reluctance)、永磁式也即感应式PM型(Permanent Magnet)、混合式HB型(Hybrid)等[44]。

目前用得最多的是混合式步进电机和反应式步进电机。

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的特点，兼有这两类电机的优点，因而性能更好。

虽然步进电机已被广泛地应用，但用好步进电机并非易事，因为步进电机和直流电机、交流电机不同，它不像其他电机一样连好线，一通电就能使用。

步进电机至少要有脉冲信号和功率驱动电路等组成控制系统才可使用，这就涉及到很多方面的知识，如：电机、机械、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机今后的发展，主要依赖于新材料的应用、设计的手段和驱动技术。

步进电机下一阶段的发展趋势将会是智能化应用技术方向。

新材料方面，高性能永磁材料的应用会对步进电机有影响；设计手段上由于电子技术、计算机通信技
术的发展，对步进电机控制的方法也会越来越先进；同时驱动技术方面，微步驱动技术的应用和不断完善，对步进电机的设计和发展产生了很大的影响，也提出了一系列研究的新课题和新方向[3]。

1.2 FPGA开发环境与工具[9~10]
FPGA（Field Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列。

它是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点[2]。

FPGA器件的集成度很高，并且方便易用，因而在很多领域已经得到广泛应用。

1.2.1 Quartus II开发软件
Altera公司的Quartus II软件提供了可编程片上系统设计(SOPC)的一个综合开发环境。

Quartus II集成开发环境包括的内容有：系统级设计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件（PLD）设计，综合，布局和布线，验证和仿真[9]。

Quartus II软件的优点是适合设计团队基于模块的层次化设计方法。

Quartus II设计软件为设计者提供了一个完整的多平台开发环境。

它的开发流程如图1.1所示。

图1.1 Quartus II软件的开发流程
Fig.1.1 The development process of Quartus II
Quartus II软件的典型设计流程一般可分为设计输入、设计编译、设计仿真和器件编程：
①设计输入：设计输入可用多种方法实现，常用的有原理图输入和HDL硬件描述语言两种。

在设计复杂的电路系统时，可采用硬件描述语言(如VHDL，Verilog 语言等)分模块、分层次的设计方法，然后生成图形模块再进行设计。

②设计编译：设计编译是指从设计输入文件到位流文件的编译过程。

在这个
阶段，编译软件自动地对设计文件进行综合、优化，并针对所选中的器件进行映射、布局和布线，产生相应的位流数据文件。

③设计仿真：完成设计的编译后，还需要对设计的功能和时序进行仿真。

功能仿真是验证设计的逻辑功能。

④器件编程：器件的编程也称为器件的配置，就是将编译成功的位流数据文件配置到相应的FPGA器件中。

1.2.2 硬件描述语言（HDL）
硬件描述语言（Hardware Description Language，简称HDL），是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言[2]。

利用这种语言，数字电路系统的设计可以从抽象到具体逐层描述自己的设计思想，把设计模块化。

然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。

再用专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。

目前，最常用的硬件描述语言是VHDL和Verilog HDL语言，它们都是IEEE 标准。

1.2.3 Verilog HDL[2]
Verilog硬件描述语言，它是目前应用最广泛的一种硬件描述语言。

Verilog HDL 语言对语法进行了定义[43]，并且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义，它的多种操作符和结构是从C编程语言中继承过来的。

因此有一定C语言基础的设计者很容易学习和掌握这种语言。

1.2.4 Verilog HDL和VHDL的比较
Verilog HDL和VHDL共同的特点是：都是用于逻辑设计的硬件描述语言，对电路的行为和结构能形式化地抽象描述；对电路可进行分模块分层次描述；都有电路仿真和验证功能。

但是VerilogHDL和VHDL又有各自的特点。

Verilog HDL 语法规则与C语言很相像，而VHDL类似于Ada，这使得Verilog HDL比较容易掌握，而掌握VHDL就比较困难；Verilog HDL不支持用户自定义数据类型，而VHDL支持这一功能，在系统级抽象方面Verilog HDL就比VHDL稍差一些，但在门级开关电路描述方面Verilog HDL又比VHDL强；Verilog HDL对语法的要求不是很严格，因而特别要注意代码的写法，而VHDL对语法的检查十分严格，设计出来的电路更可靠，但代价是代码更繁琐；Verilog HDL自身带有用于仿真的指令，而VHDL没有类似的指令，只能依靠仿真工具的支持[43]。

Verilog HDL较为适合系统级(System)、算法级(Alogrithem)、寄存器传输级(RTL)、逻辑级(Logic)、门级(Gate)和电路开关级(Switch)的设计，而对于特大型(千万门级以上)的系统级设计，则VHDL更为适合[2]。

基于上述的这些特点，本文硬件逻辑的设计采用VerilogHDL进行编写程序。

1.3 本课题研究的背景及意义
1.3.1 本课题研究的背景
本课题研究的背景基于以下三个方面。

①步进电机的优缺点
步进电机与其他控制用途电动机相比，具有以下优点[6]：无累积误差，有良好的跟随性；动态响应快、易于起停；停止时具有一定的自锁能力；步距角可选范围大，速度可在相当宽范围内平滑调节；无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

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。

但是步进电机也存在一些缺点[1]：低速转动时振动和噪声都比较大；输出力矩随着转速的升高而降低；启动频率如果太高，会发生堵转并伴随有呼啸声；速度突变较大时存在丢步和过冲现象；高速运转时输出力矩小。

在这些缺点中，其中有两点是步进电机本身固有的缺点：一是低速转动时振动和噪音相对较大；二是当频率突变过大时容易发生堵转、丢步或者过冲。

这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。

但是步进电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。

采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；另外采用升降频控制技术，则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题，使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确[1]。

此外，步进电机不像其它电动机可以直接用交直流电源供电就可运行，必须要有脉冲信号才能驱动运转。

②单片机控制步进电机技术的弊端
当前在步进电机控制领域，大多采用单片机控制方案。

单片机控制需要CPU 的频繁参与，这将导致运算时间的大大增加，从而影响了对其它部件的控制。

在使用单片机控制多个器件的时候必须采用多CPU的方式，要有一个主控CPU控制各CPU，各CPU通过总线连接起来。

而各CPU的分散性将大大增加控制系统产生故障的几率，系统出现故障时也不便于检测维修，同时也增大了整个系统的体积，使系统的集成度、可靠性大大降低。

多CPU的控制方式在一些高精度设备中无法满足实时性的要求。

③FPGA技术应用于步进电机控制领域的技术优势[2]
1）FPGA控制实时性高，单片机实时控制能力弱。

并且FPGA内部有集成锁相环，可实现外部时钟的倍频，适合高速场合，单片机的运行速度是比不上FPGA 的。

2）采用FPGA作为控制器可以简化系统设计，灵活性强，降低系统的开发难度，缩短开发周期，降低成本。

FPGA内部有大量软核，可实现二次开发。

系统设计之后，可根据需要再编程再修改，如电路有少量改动，更能体现出FPGA的优势，其实时性和灵活性强。

3）FPGA的IO口多，容易实现大规模系统的开发。

单片机的IO口数是有限的，而FPGA有数百个IO口，可以方便连接外部设备。

因此，用FPGA设计可容易实现对步进电机的多轴控制。

相对单片机设计，用FPGA设计可节省CPU资源。

4）单片机的功能实现是顺序的、单线程的，而基于FPGA 的设计是并行的、多线程的，因此，FPGA处理速度更快，工作效率更高。

1.3.2 论文选题的意义
本课题的最大的特点是采用FPGA直接对步进电机进行并行、多线程控制，替代了传统的CPU软件顺序、单线程控制。

因此，与传统的单片机控制系统相比，本控制系统具有良好的可靠性、实时性，更适合应用于实时性要求高的工作场合。

采用FPGA 技术对步进电机进行控制，能够提升产品质量和市场竞争力，其发展空间是广阔的。

1.4 论文的主要内容
本文将FPGA技术运用到两相混合式步进电机，以达到控制步进电机的目的。

在综合国内外相关文献和技术资料的基础上，对两相混合式步进电机的工作原理以及控制系统的软、硬件的设计等方面进行较为全面的分析与探讨。

主要工作是研究了步进电机的两轴联动控制和细分驱动控制，并自制了驱动器的电路板对系统控制进行调试验证，做出了相应分析。

以下是本文各章节的安排：第1章绪论
第2章步进电机原理
第3章步进电机的两轴联动插补控制
第4章步进电机PWM细分驱动电路设计
第5章步进电机细分驱动器的设计与实现
第6章步进电机控制系统的FPGA验证
第7章总结与展望
1.5 本章小结
本章系统介绍了步进电机的发展概况，阐述了QuartusⅡ软件的设计流程以及Verilog HDL语言，通过分析步进电机的优缺点、单片机控制步进电机的弊端和FPGA应用于步进电机的优势说明了论文研究的意义，最后对论文的主要研究内容和各章节做了安排。

2 步进电机的原理
2.1 步进电机的分类[26~28]
步进电机按照结构的不同可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)步进电机。

反应式步进电机：定子上嵌放多相绕组，定子磁极和转子上有小齿。

这种步进电机的主要特点是结构简单、成本低、步距角小；起动频率和运行频率较高；断电时没有定位力矩，需要带电定位，功耗大、效率低、可靠性不高。

永磁式步进电机：转子是永磁体，定子和转子的极数相同。

特点是：输出转矩大、步距角大、精度差；但起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，功耗小。

混合式步进电机：是反应式和永磁式步进电机的结合，定子上有绕组，转子采用永磁体，定子和转子的铁芯均有多个小齿，特点是：输出转矩大、步距角小、精度较高，但结构较复杂，成本也较高。

可以说，混合式步进电机具有反应式和永磁式的优点，因而混合式步进电机的应用领域越来越广泛。

2.2 步进电机的工作原理[36~37]
给步进电机一个电脉冲信号，步进电机的转子就转过相应的角度，不断地给步进电机电脉冲信号，步进电机就会转动起来。

由于反应式步进电机的结构比较简单，本文以三相反应式步进电机为例简述步进电机的工作原理。

图2.1 电机的结构图2.2 电机定转子展开图Fig.2.1 The structure of motor Fig.2.2 The d rawing of rotor motor
图2.1是三相反应式步进电机的结构，从图中可以看到：电机定子上有三个励磁绕阻（即AA′,BB′,CC′），转子上有很多小齿。

图2.2是电机定转子展开图，定子AA′的几何轴线与转子齿1的轴线对齐，BB′的几何轴线与转子齿2的轴线向右错开1/3て（て为相邻两转子齿轴线间的距离，也称齿距），CC′的几何轴线与转子齿3的轴线错开2/3て。

步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理，当某相定子通电励磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，则转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转动一个角度，如此不停地给每相轮流通电，转子就会不停的转动。

以三相反应式步进电机为例，电机只有一相通电的情况[45]，如先给A相通电，B，C相断电时，AA′绕组励磁后，产生磁场，在磁力线作用下，会吸引转子转动，转子齿1与定子A的磁极对齐，对齐以后，转子不受任何力，就不能转动。

接着给B相通电，A，C相断电，在磁场力的作用下，离B相磁极最近的齿被吸引过来，即齿2转动一定角度，也就是向右移过1/3て与B对齐。

齿2与B 对齐后，齿3向右偏移，与C错开1/3て，则齿4与A′错开2/3て。

如C相通电，A，B相断电，此时离C相磁极最近的齿3被吸引过来与C对齐，则转子齿3向右移过1/3て，齿3与C对齐后，齿4与A′向右偏移为1/3て。

如继续给A相通电，B，C相断电，则齿4向右偏移1/3て与A对齐。

如果不断地给A，B，C，A……通电，电机就会向右旋转，每来一个脉冲就会向右旋转1/3て，如果反过来通电，即按A，C，B，A……通电，电机就会向相反方向转动。

由上述可得：步进电机的转动与定子的通电有关，电机的转动方向与通电的顺序有关，而电机的转速和相序切换的频率有关，切换得越快，电机转动得越快。

上述介绍的是只有一相通电的情况，称为三相单三拍，每一步转动是1/3て。

如果改变电流通电的组合，可以一相或两相同时通电，则可以形成这样的导电状态A-AB-B-BC-C-CA-A，这种通电方式可将三相单三拍每步1/3て转动改变为每步转动是它的一半，即1/6て。

步进电机的通电方式也称激磁方式，有1相激磁、2相激磁及1-2相激磁的方法。

通电状态有[4]：
(1)单相轮流通电方式：只有一相绕组通电。

如：二相单4拍A→B→a→b。

这种通电方式的特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。

(2)双相轮流通电方式：每次有两相绕组同时通电。

特点：通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度较高而且不易失步。

如：二相双4拍：AB→Ba→ab→bA。

(3)单双相轮流通电方式：单相通电和双相通电的组合。

如：二相8拍
A→AB→B→Ba→a→ab→b→bA，经过8拍完成一个循环，步距角为二相单4拍或二相双4拍的一半。

上述的相数、拍数和步距角是步进电机的静态术语[46]。

相数：是指产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用字母m表示。

拍数：是指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，用n表示。

以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移量，用θ表示。

二、四相步进电机的步距角一般为0.9度（俗称半步）/1.8度（俗称整步）。

2.3 步进电机的控制原理
要使步进电机能够运转起来，至少需要脉冲信号发生器和驱动器的配合，脉冲信号发生器为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号的产生大多数由可编程控制器或单片机来完成；驱动器(信号放大器)，作用是对电脉冲信号进行放大和驱动步进电机转动，还可以通过它改善步进电机的运行稳定性和提高步进精度，在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的情况具有多种驱动器。

步进电机和其他控制电机的区别主要是，由输入脉冲信号来进行控制。

步进电机的总转动角度由输入脉冲数决定，给定一个脉冲信号步进电机转过一个步距角，当运行停止的位置确定时，也就决定了步进电机需要给定的脉冲总数。

而电机的转速则由脉冲信号的频率决定，转速和频率成正比，当脉冲的频率减小时，步进电机的速度就减慢；当频率增加时，速度就加快。

步进电机的控制原理可归纳为以下两点[5]：
1.换相顺序的控制，通电状态的切换。

这一过程称为“脉冲分配”。

如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相绕组通电顺序为A-B-C-D-A。

控制电机A、B、C、D 相的控制脉冲应严格按照这一顺序执行，如果通电顺序按A-D-C-B-A，则电机的转向发生改变，即控制步进电机的通电顺序可控制步进电机的转动方向。

2.步进电机的速度控制。

步进电机的转动快慢和控制脉冲信号的频率有关，当步进电机接收到一个控制脉冲信号，它就转动一步，再来一个脉冲，它会再转一步。

发出的两个脉冲信号的时间间隔越短，步进电机的转动就越快。

调整控制器发出的脉冲信号的频率，就可以对步进电机进行调速控制。

本文就是根据以上理论来实现对两相混合式步进电机的控制。

步进电机的插补联动控制原理和细分驱动控制原理将在第3章和第4章分别作介绍。