【正文】 收數(shù)字脈沖信號并轉(zhuǎn)變 其 為角位移或線位移。 因為 不必進行數(shù)模轉(zhuǎn)換 , 故 使用起來非常方便 , 它 廣泛于閥門控制、數(shù)控機床、繪圖儀、打印機以及光學儀器等需要高定位精度及高靈活控制性的系統(tǒng)中 應(yīng)用 。步進電動機運行時 對于 有相當功率的時序脈沖按要求的邏輯饋送給它的各個控制繞組 有著要求 , 并 且為了步進 電動機調(diào)速 的實現(xiàn) , 要求 其能夠改變送給各個控制繞組的時序脈沖的頻率。 現(xiàn)如今，隨著 FPGA 技術(shù)的發(fā)展和改善，很有可能使用其進行各種各樣的運算，并且可以進行穩(wěn)定、精確的響應(yīng)和控制。 近些年，隨著 不 斷 增加的 需求量， FPGA 的技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，總的來說現(xiàn)在的FPGA 的性能 等同 于 時代的門陣列水平， 仍未 達到固定標準程序階段。在光通信區(qū)域的 商家為 了 保持競爭力，必須采用 以 FPGA 設(shè)計的 ASIC 電路。 近些年 我國迅速發(fā)展的光通信系統(tǒng)中也較多的采用了 FPGA 器件。 FPGA 的市場發(fā)展 、 FPGA 研究開發(fā)最早、產(chǎn)品系列最多、 換代最快的是美國，至于日本， 因為 一些廠家認為 FPGA 只是產(chǎn)品開發(fā)階段被采用，批量生產(chǎn)時就會被門陣列電路代替 ， 所以占有率 不是很高 ，而在我國電子產(chǎn)品的開發(fā)及生產(chǎn)蓬勃發(fā)展， FPGA 的應(yīng)用也 受 到 人們 極大的 關(guān)注， FPGA 不但 可以 應(yīng)用于某些高檔次產(chǎn)品，一 些消費性電子產(chǎn)品也已 經(jīng)廣泛使用。不少大學還將 FPGA 應(yīng)用于科研教學工作之中。且預(yù)計我國的 FPGA 的需求量還會不斷 的 上升。 步進電機是把脈沖 信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行原件，是一種對應(yīng)于輸出與輸入數(shù)字脈沖中的增量驅(qū)動元件。具有定位、精度高、 無積累誤差 、啟動性能好、 價格低廉 、易于控制及計算機接口方便等優(yōu)點， 廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中 。 計算機技術(shù)的發(fā)展， 對 數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 起到了促進的作用。步進電機細分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進電機的步距角、提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。 利用 FPGA 中的嵌入式 EAB 可以構(gòu)成存放電機各相電流所需的控制波形表，再利用數(shù)字比較器同步產(chǎn)生多路 FPGA 電流波形，以控制 多相步進電機 。 改變控制波形表的數(shù)據(jù)、增加計數(shù)器和比較器的位數(shù) 、 提高計數(shù)精度 、 就可以 予 PWM 波形的細分精度 以提高，進 而對步進電機的步進轉(zhuǎn)角進行任意級的細分，以實現(xiàn) 轉(zhuǎn)角的精確控制。 步進電機的特點和應(yīng)用 步進電機是一種由數(shù)字系統(tǒng)控制的執(zhí)行電動機，其具有以下優(yōu)點： （ 1） 整個系統(tǒng)簡單廉價且可以用數(shù)字信號直接進行控制 。 （ 2） 位移與輸出脈沖信號數(shù)一一對應(yīng)，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而且具有一定精度的開環(huán)控制，步距誤差不長期積累，也可在要求更高精度的情況下組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 3） 無刷，電動機本體部件比較少，可靠性高。 河北大學工商學院 2020屆本科畢業(yè)生論文 2 （ 4） 正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好，易于啟動 /停止。 （ 5） 停止時有自鎖能力。 （ 6） 步距角可以在大范圍內(nèi)進行選擇，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載，在小步距情況下，通?？梢栽诔娃D(zhuǎn)速下高速矩穩(wěn)定運行。 （ 7） 速度可平滑調(diào)節(jié) 在相當寬范圍內(nèi)，同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可完全同步運行 。 但是步進電動機也存在著很多的不足，其帶慣性負載能力較差。因為存在失步和共振，步進電機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。且需要專用的伺服控制器控制，不可以直接使用普通的交直流電源驅(qū)動。 步進電機卻別于其他電動機的最大特點為：它接受電脈沖信號（數(shù)字控制信號），并將其轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或是直線位移。它本身就是一個完成模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。且它可以進行開環(huán)位置控制，通過輸入一個脈沖信號就可以得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的增量位置控制 系統(tǒng)比較起傳統(tǒng)的直流伺服務(wù)器系統(tǒng)，成本有顯著的降低。 因此，步進電機的應(yīng)用隨著運動控制系統(tǒng)數(shù)字化的到來而日益廣泛。在通過控制買成個數(shù)來控制角位移兩從而達到準確定位目的的同時，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度 /加速度以達到調(diào)速的目的?；诓竭M電機再生產(chǎn)應(yīng)用上的優(yōu)點，其已經(jīng)在許多工業(yè)控制系統(tǒng)中作為重要執(zhí)行部件得到了應(yīng)用。 在計算機外圍設(shè)備種總有步進電機的出現(xiàn)。步進電機在數(shù)字、工具程序控制系統(tǒng)之中得到了廣泛的應(yīng)用。 課題研究的目的與意義 步進電機由于其可用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，唯一于輸入脈沖 信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差步長期累積，可靠性高，無刷，電機本體部件少；易于啟動和停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性好等優(yōu)點的存在，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制之中，但是，步進電機運行工況也存在著許多的不阻止住，例如噪聲大，分辨率較低，低頻震蕩等，嚴重對其應(yīng)用范圍造成了制約。如果步進電機能夠克服以上的缺點，那可以肯定其應(yīng)用范圍可進一步擴大。采用電路細分控制的策略便是為了有望克服步進電機在運行工況中出現(xiàn)的諸多不足之處。 但是目前的狀況為：基于單片機細分驅(qū)動器性能不好，并且發(fā)展空間局限，基于占用控制芯片的細分驅(qū)動器通常只能用來驅(qū)動較 小功率的步進電機，而基于 DSP 的細分驅(qū)動器的成本又比較高。 故本課題利用的基于 FPGA 的低成本構(gòu)成，步進電機驅(qū)動器的高性能便成為了首選。FPGA 的大容量，高速處理能力可以集所有的控制部分于 FPGA 芯片之中，很大程度上的提高了系統(tǒng)可靠性。這種新型驅(qū)動器體積小，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制能力強，并可以輕易完成驅(qū)動器升級換代，一旦投入使用必將步進電機的應(yīng)用范圍擴大，并使步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的成本降低。 河北大學工商學院 2020屆本科畢業(yè)生論文 3 2 步進電機的 結(jié)構(gòu)和細分 驅(qū)動原理 步進電機的結(jié)構(gòu) 本課題使用的是四相步進電機 ， 它 采用單極性直流電源供電。只 要 按合適的時序通電給 步進電機的各相繞組 ，就 可以 使步進電機步進轉(zhuǎn)動。 如 圖 21所示， 該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。 圖 21 四相步進電機步進示意圖 開始時，開關(guān) SB接通電源，斷開 SA、 SC、 SD，對齊 B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號齒， 于此同時， C、 D相繞組磁極就和轉(zhuǎn)子的 4號齒產(chǎn) 生錯齒， D、 A相繞組磁極就和 5 號齒產(chǎn)生錯齒。 當接通開關(guān) SC， SB、 SA、 SD 斷開時， 因為 C相繞組的磁力線和 4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， C 相繞組的磁極和 4號齒對齊。而 A、 B 相繞組和 0、 3 號齒產(chǎn)生錯齒， A、 D相繞組磁極就和 5 號齒產(chǎn)生錯齒。依次類推， A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D方向轉(zhuǎn)動。 反之，轉(zhuǎn)子就會沿著 D、 C、 B、 A轉(zhuǎn)動。 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為 雙四拍、 單四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩 較 小。八拍工作方 式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既 可以提高控制精度又 可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩。本課題研究的是八拍的工作方式。 河北大學工商學院 2020屆本科畢業(yè)生論文 4 步進電機細分驅(qū)動原理 步進電機 的驅(qū)動是靠 通電流 給步進電機的各相勵磁繞組輪流 , 實現(xiàn)步進電機內(nèi)部磁場合成方向的變化，從而使步進電機轉(zhuǎn)動的。即 轉(zhuǎn)子 就會 轉(zhuǎn)過一個步距角 ， 每 伴隨著 一次通電狀態(tài) 的改變 。該步距角的計算公式為 : xb amZQ?360? （ 21） 其中 : α 為 接入繞組的線路狀態(tài)數(shù) , m 為 電動機的相數(shù) , Zr為 轉(zhuǎn)子齒數(shù)。由此可見 , 一旦 步進電機制造出來 , 其 轉(zhuǎn)子齒數(shù)與 相數(shù)將為定值 , 要想減小 其 步距角 , 以達到細分的目的 ,只能通過改變 α 實現(xiàn) 。 而 在無細分的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中 , 通過各相繞組的電流幅值是不 發(fā)生 變化的 , 只有 在 變化 各相通電狀態(tài) 的時候 , α值才相應(yīng)地 進行 變化。 針對四 相步進電機來說 , 單 四 拍或雙 四 拍運行時 , α = l 。 單雙 八 拍運行時 , α =2。如果要想增大 α , 必須使繞組中的電流按階梯上升和下降 , 即在零與最大相電流之間