步进电机细分驱动控制

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 A ，T B ，T C ，T D 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；T AB ，T BC ，T C D ，T DA 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B ?可表示为：r

M B N ??? 。 式中，Nr 为步进电机的转子齿数；M ?为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。M ?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，M ?=90°;当电机以四相八拍方式运行时，M ?=45°。和单四拍方式相比，M ?和B ?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M ?和B ?。因此，这样可达到的细分数

很有限。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 的步距上升或下降的，在两相T A ，T B 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M ?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。本节示例采用四相步进电机八细分方案。

２、步进电机细分驱动电路

为了对步进电机的相电流进行控制，从而达到细分步进电机步距角的目的，人们曾设计了多种步进电机的细分驱动电路。最初对电机相电流的控制是由硬件来实现的，每一相绕组的相电流用n 个晶体管构成n 个并联回路来控制，靠晶体管导通数的组合来控制相电流。这种细分驱动电路线路复杂，体积大，成本高，而且电路一旦制造出来就难以改变其细分数，缺乏柔性，因此在目前的实用中已很少采用这种方法。 实践表明，如果使用FPGA 进行数字控制，将为步进电机的细分驱动带来很大的便利。目前，最常用的开

关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制(PWM)式两种。

脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，它的作用是将给定的电压信号调制成接近连续的信号，角速度的波动也随着细分数的增大而减小。一般角速度波动与步距角成正比，与细分数成反比。调制成具连续运行域，角速度的波动也随着细分数的增大而减小，一般角速度波动与步距角成正比，也即与细分数成反比。

３、步距细分的系统构成　

图13-1为四相步进电机的8细分电流波形，从图中可以看出，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Ｎ个台阶，也就是电机位置可以细分为Ｎ个小角度，这就是电机的一个步距角被Ｎ细分的工作原理。或者说，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13-2为步进电机细分驱动系统结构图。

图13-1 四相步进电机8细分电流波形图13-2 步进电机细分驱动电路结构图

该系统是由PWM计数器、波形ROM地址计数器、PWM波形ROM存储器、比较器、功放电路等组成。其中，PWM计数器在脉宽时钟作用下递增计数，产生阶梯形上升的周期性的锯齿波，同时加载到各数字比较器的一端；PWM波形ROM输出的数据A[3..0]、B[3..0]、C[3..0]、D[3..0]分别加载到各数字比较器的另一端。当PWM计数器的计数值小于波形ROM输出数值时，比较器输出低电平；当PWM计数器的计数值大于波形ROM输出数值时，比较器输出高电平。由此可输出周期性的PWM波形。根据图13-1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存放于波形ROM中，波形ROM 的地址由地址计数器产生。通过对地址计数器进行控制，可以改变步进电机的旋转方向、转动速度、工作/停止状态。FPGA产生的PWM信号控制各功率管驱动电路的导通和关断，其中PWM信号随ROM数据而变化，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，从而实现步距细分的目的。输出细分电流信号采用FPGA中LPM_ROM查表法，它是通过在不同地址单元内写入不同的PWM数据，用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分。示例电路原理图图13-3是根据图13-2设计的。