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步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。 通过细分步进电机驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。 步进电机驱动器细分的主要作用是提高步进电机的精确率。 国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，这两者之间的本质是不同的： 一、 “平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。 二、 步电机系统解决方案
电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不 但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。 驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧)，选择细分驱动器是唯一的选择。提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40% 。提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率‘是不言而喻的。 很多用户误以为步进电机驱动器的细分越高，步进电机的精度就越高，其实这是一种错误的观念，比如步进电机驱动器细分较高的可以达到60000个脉冲一转，而步进电机实际是无法分辨这个精度的，当驱动器设置为60000个脉冲/转的时候，步进电机驱动器接受好几个脉冲，步进电机才走一步，这样并不能提高步进电机的精度。 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是 减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术 步电机系统解决方案
南京工程学院 自动化学院 大作业（论文） 题目：基于FPGA的步进电机细分驱动 控制设计 专业：测控技术与仪器 班级：学号： 学生姓名： 任课教师：郭婧 成绩：
基于FPGA的步进电机细分驱动控制设计 一、基本要求： 在理解步进电机的工作原理以及细分原理的基础上，利用FPGA实现四相步进电机的8细分驱动控制。 二、评分标准： 1、设计方案介绍（共15分） 要求：详细叙述利用FPGA实现对四相步进电机进行8细分控制的设计方案。 评分标准： 13-15分：方案叙述详细，正确； 10-12分：方案叙述较详细，基本正确； 9分以下：酌情给分 0分：抄袭别人 2、VHDL设计部分（60分） 要求：给出详细的VHDL设计过程，提供详细的程序代码，如果设计中用到LPM模块，则给出生成LPM模块的每一步操作流程的截图，并加以文字描述。 评分标准： 54-60分：代码详细，截图完整，书写规范， 48-53分：代码较详细，截图较完整，书写较规范； 47以下：酌情给分 0分：抄袭别人 3、模拟调试部分（20分） 要求：给出详细的仿真过程，对软件编译、仿真分析、仿真波形进行截图。并给出8细分情况下的仿真测试结果，给出详细的实验结果分析。 评分标准： 18-20分：调试过程详细，正确，截图完整； 15-17分：调试过程较详细，基本正确，有截图； 14分以下：酌情给分 0分：抄袭别人
4、提高部分（5分） 要求：利用FPGA实验箱上的步进电机，实现细分控制。 评分标准：根据完成的程度给分。 0分：抄袭别人
参考：实验十八 FPGA步进电机细分驱动控制设计 示例程序和实验指导课件位置：\EDA_BOOK3_FOR_C35\chpt3\EXP18_MOTO\工程：step_a 一、实验目的 学习用FPGA实现步进电机的驱动和细分控制。 二、实验设备 PC机一台 GW48-PK4试验系统一台 连接线若干 三、实验内容 1、建立工程。完成以图18-1为原理图的工程设计，并保存工程名为step_a。 2、编译仿真。对以上工程进行编译，成功后进行方针测试。 3、引脚锁定。引脚锁定参考图18-2. 图18-1 步进电机PWM细分控制控制电路图 图18-2 引脚锁定图 4、下载测试 参考\EDA_BOOK3_FOR_C35\Chpt3\ALl.PPT\实验17.PPT 选择模式5，短路冒接clock0.根据第一章注释分别“38“和”42“或”“7”连接（见GW48主
步进式电动机 一、前言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴 线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A’与齿5相对齐，（A’就是A，齿5就是齿1）。 2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转 子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、 C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过 一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电
本教程介绍步进电机驱动和细分的工作原理,以及stm32103为主控芯片制作的一套自平衡的两轮车系统,附带原理图pcb图和源代码,有兴趣的同学一起来吧.本系统还有一些小问题,不当之处希望得到大家的指正. 一.混合式步进电机的结构和驱动原理 电机原理这部分不想讲的太复杂了，拆开一台电机看看就明白了。 电机的转子是一个永磁体，它的上面有若干个磁极SN组成，这些磁极固定的摆放成一定角度。电机的定子是几个串联的线圈构成的磁体。出线一般是四条线标记为A+，A-，B+，B-。A相与B相是不通的，用万用表很容易区分出来，至于各相的+-出线实际是不用考虑的，任意一相正负对调电机将反转。另外一种出线是六条线的只是在A相和B相的中间点做两条引出线别的没什么差别，六出线的电机通过中间出线到A+或A-的电流来模拟正向或负向的电流，可以在没有负相电流控制的电路中实现电机驱动，从而简化驱动电路，但是这种做法任意时刻只有半相有电流，对电机的力矩是有损失的。步进电机的转动也是电磁极与永磁极作用力的结果，只不过电磁极的极性是由驱动电路控制实现的。 我们做这样的一个实验就可以让步进电机转动起来。1找一节电池正负随意接入到A相两端;然后断开;(记为A正向)2再将电池接入到B相两端; 然后断开;(记为B正向)3电池正负对调再次接入A相; 然后断开;(记为A负向)4保持正负对调接入B相;然后断开;(记为B负向)…如此循环你会看到步进电机在缓慢转动。注意电机的相电阻是很小的接
通时近乎短路。我们将相电流的方向记录下来应该为:A+B+A-B-A+…， 如果我们更换接线顺序使得相电流顺序为A+B-A-B+A+…这时我们会看 到电机向反方向运动。这里每切换一次相电流电机都会转动一个很小的角度，这个角度就是电机的步距角。步距角是步进电机的一个固有参数，一般两相电机步距角为1.8度即切换200次可以让电机转动一圈。这里我们比较正反转的电流顺序可以看出A+和A-;B+和B-的交换后的顺序 和正反顺序是一致的，也就是前面所说的”任意一相正负对调电机将反转”。以上为四排工作方式，为了使相电流更加平滑另外可以使用八排的工作方式即: A+;A+B+;B+;B+A-;A-;A-B-;B-;B-A+;从前往后循环正转，从后往前循环反转。 为了用单片机实现相电流的正负流向控制必须要有一个H桥的驱动电路，这种带H桥的驱动模块还是很多的，比较便宜的是晶体管H桥比如L298N，晶体管开关速度比较慢，无法驱动电机高速运动。有些模块将细分控制电路也包含在内，我们也不用这种，因为我们的细分由软件控制。实际应用中使用ST的mos管两桥驱动芯片L6205一片即可驱 动一台步进电机。有了H桥通过PWM就可以控制相电流大小，改变输入极IN1、IN2的状态（参看手册第8页）可以控制相电流的方向。 二.细分的原理和输出控制 从这里开始重点了，别的地方看不到哦。 一个理想的步进电机电流曲线应该是相位相差90度的正弦曲线如
步进电机驱动方式（细分）概述 众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者即有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述。 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能够连续、平稳地转动，定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看，电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快，转子跟随不上，这时步进电机就出现失步现象。 既然电机转子是跟随电机定子磁场转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生，Ib是由B-B`相产生，它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流，它可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。 有了以上的步进电机背景描述后，对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式，都会是同一种方法，只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。 整步驱动 对于整步驱动方式，电机是走一个整步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，整步驱动是每走一步是走3.6°。
下图是整步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可知，整步驱动每一时刻只有一个相通电，所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单，程序代码也是相对容易实现，且由上图可以得到电机整步驱动相序如下： BB’→A’A→B’B→A A’→B B’ 下图是这种驱动方式的电流矢量分割图： 可见，整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。 下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图： 可以看出，整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机，低速时电机会抖动，噪声会比较大。但是，这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单，从而驱
前言 随着社会的进步和人民生活水平的不断提高及全球经济一体化势不可挡的浪潮，我国微特电机工业在最近10年得到了快速的发展。快速发展的显着标志是使用领域不断拓宽，用量大增，特别是在日用消费市场和工业自动化装置及系统的表现最为明显。与此同时，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步，用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求，因此作为微特电机重要分枝的控制电机也得到了空前的发展。步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行组件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。步进电机被广泛应用于数字控制各个领域：机器人方面，机器人的的关节驱动及行进的精确控制，需要步进电机；数控机床方面，如数控电火花切割机床要求刀具精确走步，减小加工件表面的粗糙度的同时提高效率，需要步进电机；办公自动化方面，如电脑磁盘驱动器中的磁盘进行读盘操作的精确位置控制，需要步进电机，在打印机、传真机中也需要步进电机对设备进行位置控制。步进电动机是经济型数控系统经常采用的电机驱动系统。这类电机驱动系统的特点是控制简单，适合计算机系统控制要求。步进电动机的细分驱动系统较以往的电机系统，消除了低频震荡问题，控制分辨率更高，使其应用领域更加广泛。
1/17 AN1495 APPLICATION NOTE 1INTRODUCTION Microstepping a stepper motor may be used to achieve one or both of two objectives; 1) increase the position resolution or 2) achieve smoother operation of the motor. In either case the basic the-ory of operation is the same. The simplified model of a stepper motor is a permanent magnet rotor and two coils on the stator separated by 90 degrees, as shown in Figure 1. In classical full step operation an equal current is delivered to each of the coils and the rotor will align itself with the resulting magnetic vector along one of the 45 degree axis. To step the motor, the current in one of the two coils is reversed and the rotor will rotate 90 degrees. The complete full step sequence is shown in figure 2. Half step drive,where the current in the coil is turned off for one step period before being turned on in the opposite direction, has been used to double the step resolution of a motor. In either full and half step drive,the motor can be positioned only at one of the 4 (8 for half step) defined positions.[4][5] Therefore,the number of steps per electrical revolution and the number of poles on the motor determine the resolution of the motor. Typical motors are designed for 1.8 degree steps (200 steps per revolution)or 7.5 degree steps (48 steps per revolution). The resolution may be doubled to 0.9 or 3.75 degrees by driving the motor in half step. Further increasing the resolution requires positioning the rotor at positions between the full step and half step positions. Figure 1. Model of stepper motor MICROSTEPPING STEPPER MOTOR DRIVE USING PEAK DETECTING CURRENT CONTROL Stepper motors are very well suited for positioning applications since they can achieve very good positional accuracy without complicated feedback loops associated with servo sys-tems. However their resolution, when driven in the conventional full or half step modes of operation, is limited by the configuration of the motor. Many designers today are seeking alternatives to increase the resolution of the stepper motor drives. This application note will discuss implementation of microstepping drives using peak detecting current control where the sense resistor is connected between the bottom of the bridge and ground. Examples show the implementation of microstepping drives with several currently available chips and chip sets. REV . 2AN1495/0604
步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。同时，还可解决步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。但单一的软件细分驱动在精度与速度兼顾上会有矛盾，细分的步数越多，精度越高，但步进电机的转动速度却降低;要提高转动速度，细分的步数就得减少。为此，设计了多级细分驱动系统，通过不同的细分档位设定，实现不同步数的细分，同时保证了不同的转动速度。 1 细分驱动原理 步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按A→B→C……的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序通电，则步进电机为半步工作。以A→B为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由θb 变为0.5θb，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。 在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度θ1=θ2=θ3=θ4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I33个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。 在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为 IA→IAB→IB;实现4步细分转动过程为IA→I2→IAB……;而实现8步细分则转
YKD3422MA 数字式细分驱动器 特点木工雕刻机 数控机床 包装设备 纺织设备 水钻设备 激光切割机 YKD3422MA是一款基于高性能DSP控制的三相步进电机驱动器，硬件设计上采用DSP+IPM模块进行高集成度简约化设计，数字式PWM控制方式，软件上采用矢量控制技术及微细分自适应控制技术，即使在低细分条件下也可以使电机低速运行平稳，几乎没有震动和噪音，电机在高速时力矩大大高于两相和五相混合式步进电机。驱动电压为交流110V-240V，适配电流在4.2A以下的各种型号三相混合式步进电机。此款驱动最适宜控制高电压小电流电机。定位精度最高可达10000步/转.细分设置更改需要断电重启后才生效，运行电流及抱轴电流设定支持不断电在线设置。 电流设定驱动器接线示意图 典型应用概述1. STOP/Im为保持状态(或抱轴状态)输出电流设置电位器，可设置为 正常输出电流的20%-80%(顺时针增大,逆时针减小)，支持在线调整。 2. RUN/Im为正常工作输出电流设置开关(详见下表)，支持在线调整。 PU DR MF DIP开关设定输入信号波形时序图安装尺寸(单位:mm)◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆ 采用矢量控制及微细分控制技术,在运行平稳性、噪音、震动、发热等方面 较传统驱动器均有较大的提升； 衰减模式及衰减时间自适应控制，开关管运行在最少开关模式，运行时发热 大大降低,电流波形失真度较小; 设有16档等角度恒力矩细分,最高分辨率10000步/转； 最高响应频率可达200Kpps; 加减速曲线配置合适的情况下电机最高空载速度可达50R/S(or 3000RPM); 步进脉冲停止超过100ms时,线圈电流自动减为20%-80%(由STOP/Im设定) 光电隔离信号输入/输出 驱动电流从0.6A/相到4.2A/相分16档可调 单电源输入，电压范围：交流AC110-220V 出错保护：过热保护/过流、电压过低保护 YKD3422MA体积为178x108.5x68()，净重量为：0.93kg 相位记忆功能(注：输入脉冲停止超过5秒后，驱动器自动记忆当时电机相位， 重新上电或MF信号由有效变为无效时，驱动器自动恢复电机相位)。 3mm 注意！信号端DB15塑料壳 需保留45mm的安装空间。
步进电机驱动器及细分控制原理 步进电机驱动器原理： 步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。 以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为AA BB A A B B ，其四个状态周而复始 进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为 AA B B A A BB ，电机就逆时针转动。 随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关管导通，让高压再次作用在绕组上，使绕组电流重新上升；当电流回升到上限值时，高压电源又自动断开。重复上述过程，使绕组电流的平均值恒定，电流波形的波顶维持在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低频段力矩增大。 步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响较大，电压越高，步进电机转速越高、加速度越大；在驱动器上一般设有相电流调节开关，相电流设的越大，步进电机转速越高、力距越大。 细分控制原理： 在步进电机步距角不能满足使用要求时，可采用细分驱动器来驱动步进电机。细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。
定子 A 转子 S N B B B S N A A (a)(b) A S N B B N S B S N A (c)(d) 图3.2步进电机细分原理 图 仍以二相步进电机为例，当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图3.2。 若通电方向顺序按AA AA BB BB BB AA AA AA BB BB BB AA,8个状态周而 复 始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与图2.1相比，它的步距角小了一半。 驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64；或：1/5，1/10，1/20。 细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数 例如：一台1.8°电机设定为4细分，其步距角为 1.8°/4=0.45°。当细分 等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。
https://www.doczj.com/doc/b214473095.html,/gykz/2010/0310/article_2772.html 引言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。驱动器接收到一个脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；其次，通过控制脉冲顿率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到涮速的目的。目前，步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在机电一体化产品中应用广泛，常用作定位控制和定速控制。步进电机驱动电路常用的芯片有l297和l298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 a左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。本文基于东芝公司2008年推出的步进电机驱动芯片tb6560提出了一种步进电机驱动电路的设计方案 1步进电机驱动电路设计 1.1 tb6560简介 tb6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥mosfet驱动；最高耐压40 v，单相输出最大电流3.5 a(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用hzip25封装。tb6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。 1.2步进电机控制信号隔离电路 步进电机控制信号隔离电路如图1所示，步进电机控制信号有3个(clk、cw、enable)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对clk、cw信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6n137高速光耦隔离clk、cw，其信号传输速率可达到10 mhz，1片tlp521普通光耦隔离enable信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。
姓名___ _ _ _ 学号201016050136 院系电气信息工程学院 专业电子信息工程 班级___信息10-1______ __
目录 目录 (2) 摘要 (3) 关键词 (3) Abstract (3) Keywords (3) 一、引言 (4) 二、步进电机细分驱动的基本原理 (4) 三、Quartus II概述 (5) 四、课题设计 (5) （一）总体设计 (5) （二）细分电流的实现 (6) （三）细分驱动性能的改善 (6) （四）程序设计 (6) 六、仿真与测试结果分析 (10) 七、结论 (12) 参考文献 (12) 注释 (13) 附录 (14) 心得体会 (20)
摘要 在对步进电机细分驱动原理进行分析研究的基础上，提出一种基于FPGA 控制的步进电机细分驱动器。利用FPGA中的嵌入式EAB构成LPM-ROM，存放步进电机各相细分电流所需的PWM控制波形数据表，并通过FPGA设计的数字比较器，同时产生多路PWM电流波形，实现对步进电机转角进行均匀细分控制。实验证明，所研制的步进电机驱动器不仅体积小，简化了系统的设计，减少了延迟，改善了低频特性，有良好的适应性和自保护能力，提高了驱动器的稳定性和可靠性。 关键词 步进电机；细分驱动；脉宽调制；FPGA Abstract In this paper, a divided driving circuit for stepping motor controlled by FPGA is put forward, based on the analysis of the principle of stepping motor divided driving. Using embedded EAB in FPGA to compose LPM-ROM, store PWM control wave form data which stepping motor each phase subdivided driving current is needed．The magnitude comparator designed with FPGA generates several PWM current waveform synchronously, to realize the step angles even division control for three–phase stepping motor.Experimments have proved that the developed subdivision driver is not only smaller,sampler in system, can shorten the delay time,improve the stability in low frequency ,but has good self-adaptation and self-protection ability,and its stability and relibility are higher. Keywords stepping motor; divided driving；PWM; FPGA
步进电机驱动电路设计 摘要 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。 介绍了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制控制模块，通过AT89S52单片机及脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计,结构简单、可靠,通过按键控制，操作方便，节省成本。 关键词：步进电机，单片机控制，AT89S52，L297，L298目录
步进电机闭环细分驱动控制系统设计 摘要：介绍了螺纹非接触光电测试系统中步进电机闭环细分控制系统的设计，并结合系统要求对抗干扰性和稳定性进行深入研究。文中对步进电机的特性与系统的性能相互关系进行了论述，在此基础上提出了可行的系统设计方案，给出了基于TA8435专用芯片的细分驱动设计电路，对系统抗干扰性和稳定性设计提出了具体解决办法，硬件设计中采用了传感器反馈的全伺服控制方法，软件上采用升频离散化处理，很好的解决了步进电机在高速启停过程中的堵转和丢步现象，提高了系统的稳定性和精度。 关键词：闭环控制；细分驱动；升频离散化 中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1672－9870（2008）02－00093－03 收稿日期：200716 基金项目：国家863计划资助项目 作者简介：宋鸿飞（1980
角，并依靠电磁力锁定转轴在一定的位置上。因此在定位精度不高的场合下，一般的步进系统都采用开环控制。但由于步进电机固有的低频共振，高频扭矩小引起的失步和机械结构等因素的影响，都会造成实际位移值偏离指令设定值。因此在高定位精度的场合下，没有闭环反馈就无法知道电机是否丢步或过步，系统无法对其进行有效校正和补偿，导致不能准确定位。在步进系统中引入检测环节并对其进行闭环控制，可从根本上解决步进系统的定位精度问题，将使其性能大大提高。步进电机的闭环控制可采用各种不同的方法，其中包括步校验、无传感器反电动势检测和有传感器反馈的全伺服控制。 1系统构成 本电机系统设计应用精密在螺纹非接触光电测试系统中，两相步进电机通过精密滚珠螺杆把电机的轴角运动转化成直线位移运动，带动负载平台及上边安装的测试系统在螺管内部进行直线运动，实现对螺纹的实时检测。由于螺纹检测属于精密检测，对精密位移台的定位精度、速度范围和速度稳定性提出了很高的要求，因此步进电机采用开环控制方式是达不到系统的指标要求的，针对系统的要求步进电机要采用闭环细分控制方式。 电机控制系统设计采用有传感器反馈的全伺服控制方法。其系统组成包括四部分：（1）使用89S52单片机实现电机控制器设计；（2）电机细分驱动器采用东芝公司生产的TA8435电机驱动专业芯片实现电机细分驱动器的设计；（3）位置反馈传感器采用分辨率 1 图1步进电机闭环细分控制系统功能图 Fig.1Diagram for close-loop subdivision control system func- tion of stepper motor 2细分驱动器设计 结合螺纹检测系统对位移平台定位精度和速度范围的要求，步进电机步距角不能满足使用条件，在设计中采用细分驱动的方法，细分驱动电路是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，来调整步进惦记步距角的大小，把原来的一个整步步距角细分成若干步来完成，从而实现步进电机的高精度定位，提高了步进电机的分辨率。实现细分驱动的方法有很多种，设计中使用了东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片TA8435，芯片采用的是脉宽调制式斩波驱动，该芯片有电路连接简单，工作稳定，特点如下： （1）工作电压范围宽（10 、B+、B 图2细分驱动电路原理图 Fig.2Circuit schematic diagram of subdivision driving 在系统中使用的位移平台螺杆导程L为4mm （即电机轴转动一周负载平台的直线位移量），细分数为为0.9° ，分数为 而转台的移动速度和脉冲频率、细分选择、电机本身的固有频率有关。在设计中由89S52的内部 定时器
技术文档-步进电机多级细分驱动方法研究 步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。同时，还可解决步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。但单一的软件细分驱动在精度与速度兼顾上会有矛盾，细分的步数越多，精度越高，但步进电机的转动速度却降低；要提高转动速度，细分的步数就得减少。为此，设计了多级细分驱动系统，通过不同的细分档位设定，实现不同步数的细分，同时保证了不同的转动速度。 1 细分驱动原理 步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按A→B→C……的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序通电，则步进电机为半步工作。以A→B为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，I AB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由θb变为0.5 θb，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。 如图1所示，在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度θ1=θ2=θ3=θ4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I3 3个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。 图1 步进细分原理 在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为IA→IAB→IB；实现4步细分转动过程为IA→I2→IAB……；而实现8步细分则转动过程为 IA→I1→I2→I3→IAB……。可见，选择不同的细分步数，就要插入不同的电流合成向量。 2 多级细分驱动系统的实现 2.1 系统组成 如图2所示，系统由主机、键盘输入系统、步进显示系统、步进控制系统组成。主机采用AT89C51单片机，其为低功耗的8位单片机，片内有一个4K字节的Flash
步进电机驱动方案概述 众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者即有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能够连续、平稳地转动，定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看，电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快，转子 跟随不上，这时步进电机就出现失步现象。 既然电机转子是跟随电机定子磁场转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生，Ib是由B-B`相产生，它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流，它可以代表电机定子产生 磁场的大小和方向。 有了以上的步进电机背景描述后，对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式，都会是同一种方法，只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。 整步驱动 对于整步驱动方式，电机是走一个整步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，整步驱动是每走一步是走3.6°。下图是整步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可知，整步驱动每一时刻只有一个相通电，所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单，程序代码也是相对容易实现，且由上图可以得到电机整步驱动相序如下： BB’→A’A→B’B→AA’→BB’
下图是这种驱动方式的电流矢量分割图： 可见，整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。 下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图： 可以看出，整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机，低速时电机会抖动，噪声会比较大。但是，这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单，从而驱动器制造成本容易得到控制。 半步驱动 对于半步驱动方式，电机是走一个半步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，半步驱动是每走一步，是走 1.8°(3.6°/2)。 下图是半步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可见，半步驱动方式的比整步驱动方式相对复杂一些，在同一时刻，可能两个相都需要被通电，如果要求电机转动的力矩平稳，则需要在两相同时通电时，通电电流应该为单相通电电流的sin(45°)，即√2/2。当然，可以直接通以和单相通电流相等的电流，结果是电机转动过程中的力矩不恒定，但它带来的好处是驱动电路或软件编写的简化。具体应用视实际场合而定。以下是这种的驱动方式的驱动相序： BB’→BB’ A’A→A’A→B’B A’A→B’B→B’B AA’→AA’→AA’ BB’
基于单片机的步进电机细分驱动控制系统 摘要：运用自趋圆算法，通过51单片机实现对步进电机的细分控制系统设计。 关键词：细分驱动;近似函数法;单片机 引言 步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度。 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技术。细分驱动技术的广泛应用，使得电机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来了方便。 本文采用单片机作为控制中心设计了采用细分驱动技术的步进电机控制系统。 1.细分驱动原理与特点 细分驱动的基本思想是： 细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。可以在每次输入脉冲切换时，不是将定子绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应定子绕组电流的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，定子绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，定子绕组电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这种将一个步进角细分成若干步的驱动方法，即为细分驱动，又称微步驱动。 采用细分驱动技术有许多优点： （1）采用细分驱动技术后，在不改变步进电机整体结构的前提下，可以大幅度提高步进电机的分辨率。 （2）由于电机绕组中的电流变化幅度变小了，所以引起低频振荡的过冲能量降低了，即改善了低频性能，减小了开环运动的噪声，提高了运行稳定度。 （3）在数控系统中，加工误差难以提高的原因很大一部分是由于减速箱的存在，采用细分驱动技术后，可以采用步进电机直接同丝杠相连的形式，这样可