【導(dǎo)讀】業(yè)，二戰(zhàn)后，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動(dòng)化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，個(gè)嶄新的階段川。而在這些技術(shù)環(huán)節(jié)中，具有很多優(yōu)點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)就是一個(gè)重要角。Pu1Semotor或stepperServO，其應(yīng)用發(fā)展己有約80年的歷史?？梢哉f步進(jìn)動(dòng)機(jī)天?？刂泼}沖，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。速與輸入脈沖的個(gè)數(shù)、頻率有著嚴(yán)格的比例關(guān)系。這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，板機(jī)或單片機(jī)為數(shù)控核心，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化。替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。

　　

【正文】 ，一般情況下總有二相繞組同時(shí)通電。一相電流逐漸增大，另一相逐漸減小。對(duì)應(yīng)于一個(gè)步距角，電流可以變化 N個(gè)臺(tái)階，也就是電機(jī)位置可以細(xì)分為 N個(gè)小角度，這就是電機(jī)的一個(gè)步距角被 N細(xì)分的工作原理。或者說，步距角的細(xì)分就是電機(jī)繞組電流的細(xì)分，從而可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)平滑運(yùn)行。由此可見，步 進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于細(xì)分步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流。 為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。最初對(duì)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實(shí)現(xiàn)的，每一繞組的相電流用 n個(gè)晶體管構(gòu)成 n個(gè)并聯(lián)回路來控制，靠晶體管導(dǎo)通數(shù)的組合來控制相電流。這種細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路線路復(fù)雜，體積大，成本高，而且電路一旦制造出來就難以改變其細(xì)分?jǐn)?shù)，缺乏柔性，因此目前己很少采用這種方法。 隨著大規(guī)模集成電路 FPGA/CPLD 的發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來了便利。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 大多數(shù)都采用數(shù)字控制。根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各項(xiàng)繞組中通過的電流值，存儲(chǔ)在 FPGA 的嵌入式 ROM 中，根據(jù)不同的地址輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，輸出到 D/A 中，由 D/A 把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓，并加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電器可分為放大型和開關(guān)型兩種。放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受 D/A 輸出的控制電壓控制，電路較簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重， 容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26 頁 共 32 頁 開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問題。但電路較復(fù)雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著大輸出力矩步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，開關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路近年來得到長(zhǎng)足的發(fā)展。 目前，最常用的開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈 寬調(diào)制 (PWM)式兩種。斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理是對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，和 D/A輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)出的電流值大于控制電壓，電路將功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通。這樣， D/A 輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。 脈寬調(diào)制式 (PWM)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把 D/A 輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸一入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)載，對(duì)電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電 路的調(diào)制頻率較高，一般大于 20 kHz，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。 和斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路相比，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的控制精度高，工作頻率穩(wěn)定，它的作用是將給定的電壓信號(hào)調(diào)值制成接近連續(xù)的信號(hào)，角速度的波動(dòng)也隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增大而減小，一般角速度波動(dòng)與步距角成正比，與細(xì)分?jǐn)?shù)成反比。因此，在此研究中，我們選用脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果 步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) 根據(jù)所述步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，選擇采用 PWM 脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)，根據(jù)細(xì)分精度的要求，決定所需要的最佳細(xì)分電流 波形，設(shè)計(jì)步距細(xì)分的系統(tǒng)構(gòu)成。圖。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 27 頁 共 32 頁 圖 該系統(tǒng)是由 PWM 計(jì)數(shù)器、 ROM 地址計(jì)數(shù)器、 PWM 波形 ROM 存儲(chǔ)器、比較器、功放電路等組成。其中， PWM計(jì)數(shù)器在脈寬時(shí)鐘作用下遞增計(jì)數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性的鋸齒波，同時(shí)加載到各數(shù)字比較器的一端； PWM 波形 ROM 輸出的數(shù)據(jù)A[3..0]、 B[3..0]、 C[3..0]、 D[3..0]分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當(dāng) PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于波形 ROM 輸出數(shù)值時(shí)，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的 PWM 波形。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì) 分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻細(xì)分電流波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)值存放于波形 ROM 中，波形 ROM的地址由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。通過對(duì)地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作 /停止?fàn)顟B(tài)。 FPGA 產(chǎn)生的 PWM信號(hào)控制各功率管驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中 PWM信號(hào)隨 ROM數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號(hào)的占空比，達(dá)到限流及細(xì)分控制，最終使電機(jī)繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實(shí)現(xiàn)了步距細(xì)分的目的。 頂層原理圖設(shè)計(jì) 頂層設(shè)計(jì)由兩個(gè)模塊 256 和 2560 組成，分別控制一臺(tái)四相步進(jìn)電機(jī)，管腳PWMCLK 為 PWM 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖， CLK 為波形 ROM 的地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖，脈沖頻率為 PWMCLK 脈沖頻率的 1/128， CSl， CS0 為步進(jìn)電機(jī)控制片選信號(hào)輸入端， CSl=0 時(shí)，模塊 256 開始運(yùn)行，控制第一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)， CS0=0 時(shí)，模塊 2560 開始運(yùn)行，控制第二臺(tái)步進(jìn)電機(jī) (如要控制多臺(tái)步進(jìn)電，可將 cs 設(shè)置成 2 位及兩位中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 28 頁 共 32 頁 以上的二進(jìn)制 ) 。 DIR0， DIR1 為方向控制信號(hào)端，為‘ 1’時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，為‘ 0’時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 模塊 256， 2560 為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的 PWM 控制模塊，模塊 2560 則在模塊 256上進(jìn)行片選修改，實(shí)現(xiàn) CS0=0 時(shí)，模塊 2560 才啟動(dòng) ，同樣達(dá)到步進(jìn)電機(jī) 1 的方向，移動(dòng)與定位控制。 如要實(shí)現(xiàn) 3 臺(tái)及三臺(tái)以上步進(jìn)電機(jī)，可以多次調(diào)用模塊，并將 CS 設(shè)定為 2 位或 2 位以上的 2進(jìn)制以達(dá)到控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的作用。 PWM 控制模塊設(shè)計(jì) 256 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)如圖 所示。此步進(jìn)電機(jī) PWM 控制電路原理圖是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)的。元件 lpm_rom0 為 PWM 波形 ROM 存儲(chǔ)器，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻細(xì)分電流波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)值存放于波形 ROM中，由于此設(shè)計(jì)的最大細(xì)分?jǐn)?shù)為 256 細(xì)分， lpm_rom0 表總長(zhǎng)為 256x4=1024 個(gè)字節(jié) ，rom0 輸出的 32 位數(shù)據(jù) P[31..0]每八位二進(jìn)制數(shù)控制一相，轉(zhuǎn)換成每 2 位 16進(jìn)制數(shù)據(jù)作為步進(jìn)電機(jī)各相電流的參考值，分別用于控制步進(jìn)電機(jī) A、 B、 C、 D 四相的工作電流。元件 CNT1024 為元件 lpm_rom0 的地址計(jì)數(shù)器，是一個(gè)可加 /減計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為 0~1024 根據(jù)控制脈沖與方向輸出 lpm_rom0 地址，用來選擇片內(nèi)預(yù)先寫好的數(shù)據(jù)， rom 輸出的數(shù)據(jù) p[31..24]、 p[23..16]、 P[15..8]、 P[7..o]分別加載到各數(shù)字比較器 lpm_pare0 的一端，元件 CNT128 為 PWM計(jì)數(shù) 器，是一個(gè) 8位二進(jìn)制 PWM 計(jì)數(shù)器，設(shè)置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為 0~128，在脈寬時(shí)鐘作用下遞增計(jì)數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性的鋸齒波，即將整個(gè) PWM 周期 128 等份。對(duì)于每一相來說，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為 0時(shí)，該相電流為 0，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為 1 時(shí)，脈寬高電平占一個(gè) PWM 周期的 1/128，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為 2 時(shí)，脈寬高電平占一個(gè) PWM 的 2/128，依次類推，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為 128 時(shí)，整個(gè) PWM 周期均輸出高電平。 輸出數(shù)據(jù)加載到各數(shù)字比較器 lpm— pare0 的另一端，當(dāng) PWM 計(jì)數(shù)器的值小于波形 ROM 輸出的數(shù)值時(shí)，比較器輸出低電平 。當(dāng) PWM 計(jì) 數(shù)器的計(jì)數(shù)值大于波形 ROM輸出數(shù)值時(shí)，比較器輸出高電平。元件 lpm_pare0 八位數(shù)據(jù)比較器電路及l(fā)pm_rom0 PWM 波形 ROM 均采用 LPM 元件定制實(shí)現(xiàn)。改變 ROM 中的數(shù)據(jù)，就可以改變一個(gè)計(jì)數(shù)周期中高低電平的比例，從而改變輸出信號(hào)的占空比，當(dāng)電流增加時(shí)，各相電流由 0 經(jīng)過 N 均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升至穩(wěn)定值 :當(dāng)電流下降時(shí)，各中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 29 頁 共 32 頁 相電流又以同樣的階梯從穩(wěn)定值下降為零。達(dá)到限流及細(xì)分控制，最終使電機(jī)繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實(shí)現(xiàn)了步距細(xì)分的目的。 圖 輸出細(xì)分電流信號(hào)采用 FPGA 中 ROM 查表法，通過在 不同地址單元內(nèi)寫入不同的 PWM 數(shù)據(jù)，用地址選擇來實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。 ROM 中的 PWM 波形數(shù)據(jù)為初始化數(shù)據(jù)文件 :。波形數(shù)據(jù)為 32 位，共 1024 個(gè) 。設(shè)置地址與數(shù)據(jù)表的表達(dá)格式均用十六進(jìn)制表示。截取 ROM 中的波形數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下圖 中數(shù)據(jù)所示 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 30 頁 共 32 頁 圖 圖中所示數(shù)據(jù)由高到低位，每?jī)晌皇M(jìn)制數(shù)分別控制四相步進(jìn)電機(jī)的 A、 B、C、 D 相，數(shù)據(jù)擺放順序?yàn)?A— AB— B— BC— C— CD— D— DA，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)由 00逐漸加一變化到 7F，再直接跳至 88，共 128 個(gè)數(shù)據(jù)，表示步進(jìn)電 機(jī)的各相電流波形上升 128 個(gè)臺(tái)階，反之則下降 128個(gè)臺(tái)階。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的 256 細(xì)分。只需用不同的規(guī)律進(jìn)行地址選擇即可實(shí)現(xiàn)不同的細(xì)分。 仿真結(jié)果 對(duì)四相步進(jìn)電機(jī) PWM 細(xì)分控制電路進(jìn)行仿真，以 32 細(xì)分為例 :波形圖如圖 所示 : 圖 圖中展示了 FPGA 控制步進(jìn)電機(jī)的工作過程。 Y[3]、 Y[2]、 Y[1]、 Y[0]分別為四相 步 進(jìn)電機(jī) A、 B、 C、 D相的控制端脈沖信號(hào)。 dir 為方向控制， dir=1 電機(jī)正轉(zhuǎn)，中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 31 頁 共 32 頁 通電方式為 A— AB— B— BC— C— CD— D— DA— ?，由圖中可以看出，首先步進(jìn)電機(jī) A相導(dǎo)通， B、 C、 D 相截止，然后逐漸過渡到 AB 相導(dǎo)通，經(jīng)過 16 拍從 A 相轉(zhuǎn)到 AB相。再經(jīng)過 16 拍從 AB 相轉(zhuǎn)到 B相，依此循環(huán)。由于從 A到 B，從 B到 C，從 C 到D，每次轉(zhuǎn)換經(jīng)過 32 拍。因此實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的 32 細(xì)分控制。 將上圖放大至如圖 。 圖 圖中管腳 P展示的是從 LPM_ROM 輸出的數(shù)據(jù)，即 PWM 波形 ROM 的數(shù)據(jù)，首先，步進(jìn)電機(jī) A 相導(dǎo)通， B、 C、 D 相截止， P[31..0]輸出數(shù)據(jù)為 88000000H， A 相的數(shù)據(jù)為 88，其他相的數(shù)據(jù)為 0。 A相輸出高電平，然后逐漸過渡到 AB 相導(dǎo)通， P[31..0]輸出數(shù)據(jù)為 : 88080000— 88100000— 88180000— 88202000— ? — 88880000 B 相的數(shù)據(jù)逐漸增大，從 08增大到 88。電機(jī)中的磁場(chǎng)經(jīng)過 16 拍從 A相轉(zhuǎn)到了AB相。再經(jīng)過 16拍從 AB相轉(zhuǎn)到 B相， P[31..0]輸出數(shù)據(jù)為 : 78880000— 70880000— 68880000— ? — 00880000 A 相的數(shù)據(jù)逐漸減小，從 88變?yōu)?0。具體的 A相數(shù)據(jù)變化如圖 所示。 圖 由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載，對(duì)輸出的 PWM 電流具有平滑濾波作用，對(duì)電機(jī)線圈起作用的是 PWM 的平均電流， 同時(shí)輸出信號(hào)中的毛刺也將會(huì)被慮除。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 32 頁 共 32 頁 5 總結(jié) 該系統(tǒng)以 FPGA 為核心部件，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，利用 EDA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制。采用 VHDL 語言并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的不同，改變模塊程序的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)控制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件簡(jiǎn)單，并充分發(fā)揮 VHDL 語言軟件編程靈活方便和 FPGA 快速的特點(diǎn)來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和成本。