基于fpga步进电机细分驱动控制毕业设计论文(编辑修改稿)

基于fpga步进电机细分驱动控制毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

，用户 只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 步进电机的分类 通常步进电机一般可分为永磁式步进电机 (PM Step Motor)，反应式步进电机 (VR Step Motor)和混合式步进电机 (Hybrid Step Motor)三类。 平顶山工学院毕业设计论文 14 转子上安装永久磁钢的步进电机叫做永磁式步进电机。 其定子上绕有绕组，转子装有磁钢，转子上磁钢的极数与定子每相绕组的极数相同。 当电流从 A 端流入， O 端流出，此时，磁极 1, 3, 5, 7 分别呈现 S, N, S, N 极性，定、转子磁场相互作用，产生整步 转距，使转子转到定子和转子磁极间能产生最大吸引力的位置。 当 A端断开正脉冲信号，并且电流从 B端流入， O端流出，磁极 2, 4, 6, 8 分别呈现 S, N, S, N极性，即定子磁场轴线沿顺时针方向转动 45 度 ,整步转矩使转子也顺时针方向转动 45度 ，以保持定、转子磁极间吸引力最大。 接着 B端断开正脉冲，并且电流从 O端流入，A 端流出，磁极 1, 3, 5, 7 分别呈现 N, S, N, S 极性，定子磁场轴线又沿顺时针方向转动 45 度 ，转子也同样转动 45度。 依此类推，当定子绕组按 A+， B+， A， B， A相 (假设电流从某相流入 电机为正，流出为负 )的顺序输入脉冲信号，转子将按顺时针方向做步进运动，这种通电方式称为二相四拍，还有双四拍工作方式，其通电顺序为 ：A+B+, B+A, AB, BA。 图 21 永磁式步进电机 一般来说，在不同的相数和极数时，步距角为 mp3600 式中 m 表示为拍数。 平顶山工学院毕业设计论文 15 P 表示为极对数 永磁式步进电机具有动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步距角大 (一般为 度或 15 度 )，另外需要驱动电源提供正，负脉冲。 这使驱动电源线路复杂化。 由于以上原因，永磁式步 进电机在需要精确定位的场合使用不多。 反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，电机中仅定子有磁性，转子由铁心组成，无磁性。 电机转矩是基于磁阻最小的原理产生的。 一台三相反应式步进电机它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，这两个磁极的极性相反绕组接成星形。 转子铁心及定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。 转子铁心上没有绕组，转子齿数为 40，每一个齿距对应的空间角度为 9360 0040  当某一相绕组通电，例如 A 相绕组通电时，电动机内建立以 AA 为 轴线的磁场，由于定转子上均有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的每个极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。 转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以 A 相通电时，转子处于 A 相极下定转子齿对齿的位置。 B 相绕组的轴线，与 A 相绕组的轴线的夹角为 120 度。 中间包含的齿距数为120/9=13+1/3 齿距 ，即当 A相极下定转子齿对齿时， B相磁极上定子齿的轴线，沿 ABC方向超前转子齿的轴线 1/3 齿距 ； C 相磁极上定子齿的轴线，则沿 ABC 方向超前转子齿的轴线 2/3 齿 距。 在 A 相断电的同时，给 B相通电，则建立以 BB 为轴线的磁场，磁场沿 ABC 方向转过了 120 度空间角。 此时，转子齿的轴线将力求与 B 相磁极上定子齿的轴线对齐，以达到稳定平衡位置。 很显然，比起 A相通电时，即比起上图所示的位置来，转子沿 ABC 方向转过 1/3 齿距。 相似地在 B相断电的同时，给 C 相通电，则建立磁场的轴线的 CC39。 方向，转子又沿 ABC 方向转过 1/3 齿距，以使 C 相极定转子齿对齿。 可见 ，在连续不断地按 ABCA 的顺序分别给各相绕组通电时，电机内磁场的轴线沿 ABC 方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转 过的角度为二相磁极轴线间的夹角 120 度而转子则每次转过 1/3 齿距，即 3 度空间角。 当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿 ABC 方向转过 360平顶山工学院毕业设计论文 16 度空间角，转子沿 ABC 方向转过一个齿距 磁场速度与转子转速的速比等于转子齿数。 若用 m 表示运行拍数， z 表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度的平均值即为步距角 θ ，可表示为 ： mz3600 可看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子齿数成反比。 反应式步进电机优点是步距角小、启动和运行频率高，缺点是断电时无定位 转矩，消耗的功率比较大。 混合式步进电机也是大家熟知的同步感应子电机，美国习惯于将这种电机称为永磁步进电机，一般当作低速同步电机用，当相绕组正常励磁时也有步进能力。 这种步进电机通常有多相绕组，类似反应式的。 定子则与反应式的完全一样，只是在转子上有永久磁铁或者单独的直流线圈产生的轴向磁场，它们的结构分别对应于图 21 和 22 所示。 图中单向磁场的磁通均用虚线表示。 此时，表示出了这是一台两相，每相 4极绕组的步进电机。 图中转子齿数 Nr=50； 定子实际上仅 40 个齿，每极 5齿。 但对于一个完整 的定子圆周应有 48 个齿。 由于嵌线需要在每个磁极上去掉一个齿。 图 22混合步进电机的结构图 一般 ， 对特定的四相步进电机，定子绕组每相 q 个极与定子齿数 Ns 和转子齿数 平顶山工学院毕业设计论文 17 Nr 的关系可得到 Ns=Nr+k 图 23混合步进电机的剖视图 转子齿之一与磁极 N1 的中心线对齐，同样也与凸极 N5对齐 ； 此时凸极 S8 和 S7 的中心齿离转子最近为半个转子齿距。 因此，这些齿是处在磁阻最大位置上。 该步进电机具有两段不同的转子，且两段转子相 互错开半个转子齿。 所以，在 BB39。 截面处，凸极N1 和 N5的中心齿相对于转子齿正处在最大磁阻位置 ； 而 S3 和 S7下的齿正处在最小磁阻位置。 由定子绕组产生交变磁通的磁路也在图 23中表示。 直流磁通和交流磁通相组合，作用在气隙里，由于交流磁通不通过永磁 体，故无去磁效应。 步进电机驱动技术概述 步进电机驱动技术指的步进电机驱动器的驱动级用来实现对步进电机各相绕组的导通和截止，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。 步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或 截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小有两种 ， 即整步和半步。 步距角由电动机的结构确定 ， 一经设计完成后 ，只能改变脉冲的频率实现调速， 从而造成了使用的单一性。 同时绕组电流为方波，造成很大的转矩脉动，这种运动给步进电机的应用带来不少的弊病，最为显著的就是低频振荡现象。 为了改善这个问题，出现了一种新型驱动方式，就是细分驱动技术。 所谓细 分驱动就是把步进电机的一步细分为若干步， 这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步，实现平顶山工学院毕业设计论文 18 微量进给。 为了减小步距角，单从电机本体来解决是有限度的，于是设法将供电的 矩形电流波改为阶梯状的电流波，这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的偏转角减小，从而大大改变步进电机的低频特性。 细分驱动的思想早在六十年代就已经提出， 但由于当时没有低成本的集成电路和优异的功率开关器件而未能付诸实施。 七十年代后期，单片机技术日趋成熟和普及化，促进细分驱动技术的蓬勃发展。 随着电流跟踪型 PWM 控制技术的发展以及恒流斩波技术的成熟，使得以恒流斩波技术为基础来控制绕组电流成阶梯状的细分驱动技术得到了广泛的应用，从而使得电动机的每转步数不受电机本体结构的限制。 细分运行方式存在多种形式，但是三相混合式步 进电机驱动系统的最佳细分方式是等步距角、等转矩的均匀细分运行方式。 均匀细分运行方式的本质与电机理论中圆形旋转磁场的形成是一致的。 到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。 单电压驱动是指在电动机绕组的工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。 它的优点是线路简单、成本低、低频时响应较好，缺点主要是存在共振区以及高频时带动负载的能力迅速下降。 这种驱动方式目前很少被采用。 单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础为电枢绕组回路串入电阻， 用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。 它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。 这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。 高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高 控制力，而不是通过改善电路的时间常数来使 性能得以提高。 但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有 所下降。 这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。 针对高低压驱动的缺陷，斩波恒流驱动采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接电阻，取样电阻又很小，因此整个系统的功耗非常小，电源平顶山工学院毕业设计论文 19 效率较高，因而恒流斩波电路应用相当广泛。 这种还可以消除共振现象，只是线路相对复杂。 使用以上的驱动技术的步进电机的步距角只有整步工作或半步工作，步距角已由电动机结构确定。 要想得到更小的步距角，目前只能采用细分驱动技术。 其基本思想是每次输入脉冲切 换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，这样电机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分。 现在的高性能步进电机驱动器基本上都采用了这种驱动技术。 细分驱动技术实际上是直接控制绕组电流的变化来驱动电机，这使得很多学者从这个思路出发寻求不同类型的步进电机需要的最佳驱动电流波形规律。 他们所认为混合式步进电机绕组的最佳驱动电流波形可近似为正弦波这就是本设计采用的驱动方式。 步进电机细分驱动的研究现状 步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。 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，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。 国内外研究步进电机细分驱动的文献很多，分别对细分数、均匀步距、恒转矩、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究，总结分析这些研究的特点如下 ： (1)必须产生真实的给定细分电压波形，并且普遍采用可逆循环计数器对 EPROM 存储器进行寻址，再经 D/A 转换器后输出，利用模拟器件进行输出调节。 对反馈电流的测量，一律使用霍尔传感器。 离线计算出步进电机励磁状态转换表，求出所需的环形分配器输出状态表后存入 EPROM 中。 此模式实际上是一种软硬件结合的 技术，通过对 EPROM 存储器的软件编程即可实现不同细分波形的输出。 (2)由于步进电机的电机绕组电流与电机转子转角之间的非线性关系，很难精确的计算出来，因此都采用近似的方法。 获得近似均匀步距的细分波形的常用方法有以下三种 ： 数值插值法、近似波形法、曲线拟合法。 然后经过进一步实验修正，最终达到近似均匀步距。 (3)通用性较弱是步进电动机细分驱动的又一特点，各研究单位基于不同的目标和机型开发不同的细分驱动电路，一般都具有较强专用性， 基于功率、微步距指标、平顶山工学院毕业设计论文 20 噪音指标等参数不同要求驱动电路不能“兼容“。 一旦应用指标、电 机型号改变，驱动系统必须重新设计。 没有统一的接口标准，进一步降低通用性。 通过以上分析，步进电机细分驱动理论己趋于成熟，但目前细分驱动器的设计仍有以下不足 ： (1)使用的器件较多，使调试复杂，系统占用空间较大，而且抗干扰能力差。 (2)对励磁状态转换表的修正是相当繁琐的过程，很难实现在线调节。 (3)通常采用单片机为控制单元，响应速度及可靠性不太高。 步进电机细分驱动原理 每给一个脉冲，步进电机转子转过一个步距角，即电动机的角位移与脉冲个数成正比，旋转方向与绕组的通电顺序一致。 转速与加到步进电机的脉冲 信号的频率成正比，简言之，主要控制输入脉冲的数量，频率以及电动机的通电相序，便可获得所需的转角，转速以及转动方向。 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转过的角度成为步距角。 通常通电方式有：三相单三拍，三相双三拍， 三相六拍。 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 TA ， TB ， TC 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； TAB ， TBC ， TCD ， TDA 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 TATBTCTD，即磁场产生了旋转。 一般地，当步进电机的内部磁场变化一周时，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 Nrmb  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。 它这个夹角与电机。