1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 步进电机控制系统的设计 摘要： 步进电机是一种易于精确控制的 执行 元件，近几年来随着微电子技术的不断发展 步进电机的 控制方法也随之变得多种多样。为了提高步进电机控制系统的动态性以及控制精度 ,本文献 因此提出了一系列关于基于现场可编程门阵列（ FPGA）和由数字信号处理器（ DSP）构成的步进电机控制系统的设计方法。 关键字： 现场可编程门阵列（ FPGA）；步进电机；数字信号处理器 (DSP)； 引言 20世纪 后期随着 晶体管的发明逐渐应用 于 步进电机上，使得对于数字化的控制变得更为容 易。如今 的 步进电机已广泛运用在高定位精
2、度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中 1。 例 如数控机床、计算机设备、自动记录仪等，另外在工业自动化生产线、印刷设备中 均 有应用。 随着步进电机 的 应用 越来越广泛 ，步进电机在实时性和灵活性等性能上的要求也越来越高 ，虽然步进电机的发展迅速， 但是在大功率步进电机驱动电源的设计和使用仍然存在问题，很大程度上 地限制了大功率步进电机在数控机床、自动控制等技术方面的应用。 一、 基本概况 步进电机（ Stepping Motor）是将电脉冲信号转化为角 (线 )位移的电元件 ， 当 步进驱动器接受脉冲信号 后 ，就 会 驱动步进电机转动一个固定的角度 ，即 步距角。因此
3、，通常以通过控制脉冲个数和控制脉冲频率来调节和控制角位移量及电机转动的速度和加速度，从而达到准确 的 定位和调速的目的。在非超载的情况下，脉冲信号的频率和脉冲数 来决定了 电机的转速停止的位置， 且 不受负载变化的影响。因 此 步进电机在速度、位置等控制领域 的 控制变的非常简单且 容 易操作。 最早步进电机的原理与今天的反应式步进电机的组成原理 基本相同 。随着时代的发展 ，微型计算机 具有 多功能 的 特点， 因而 步进电动机的控制方式变得灵活和多样。 早期 的步进电机 的 控制系统是分立元件来控制回路， 它的 缺点是调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且定型之后，不 容 易改变其控制方案。
4、基于微型计算机的控制系统则是通过软件来控制步进电机，这样能够更好地发挥步进电机的潜力；因此，用微型计算机控制步进电机已经成为一种2 必然的趋势，并且也符合数字化的时代发展要求。 二 、 基本原理 因为步进电机 、 能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，不需要 进行 A/D 转换 ， 所以步进电机 在 数控机床 操作中 被认为是最理想的的执行元件 。 随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的 执行元件。 对步进电机的控制主要包括三个方面，即步电机的转速控制、方向控制、步数控制。通过改变步进电机定子绕组的顺序，来改变步进电机的旋转方向；通过改变脉冲频率，来
5、改变步进电机的转速；通过改变脉冲个数，来改变步进电机的步数 2。 2.1 步进电机的分类：（步进电机分三种：永磁式、反应式以及混合式） 永磁式步进电机 （ Permanent Magnet Type） 多为两相，步进角为 7.5 度或者 15 度。具有转矩和体积较小、电机出力大、动态性能好等优点，但步距角大。 反应式步进电机 （ Variable Type） 多为 三相，可实现大转矩输出，步进角为 1.5 度。具有电机结构简单、生产成本低、步距角小的优点，但是噪声和振动很大且动态性能差。 混合式步进电机 （ Hybrid Type） 是指结合了永磁式和反应式的优点，步进角为 1.8度而五相步进
6、角为 0.72 度。它的步距角小，出力大，是目前性能最高的步进电动机。其分为两相和五相，应用最为广泛。 2.2 步进电机的驱动方式： 1. 细分驱动 步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制。 微机控制方式： 步进电动机的驱动器是属于数字器件 ,在应用中 微机控制就变得非常灵活和方便。 单片机控制的 步进电机细分驱动电路可分为放大型和开关型两种。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 ，如图 1所示。 （ 1）斩波式细分驱动电路： 基本工作原理是检测绕组中的电流 ,并与 DPA 输出的控制电压进行比较 ,若检测出的电流值大于控制电压 ,电路将使功放
7、管截止 ； 反之 ,使功放管导通。 （ 2） 脉宽调制式细分驱动电路： 基本工作原理是把 DPA 输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端 ,脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波 ,通过对功放管通断时间的控制 来 改变输出到电3 机绕组上的平均 电流 3。 图 1 细分驱动电路 与 斩波式细分动电路相比 ,脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高 、 工作频率稳定 、 但线路较复杂。因此 ,脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动性能要求较高的场合。 2. 斩波恒流功率驱动 恒流驱动是使导通相绕组的电流在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。 斩波型驱动分为两种 ： 斩波恒流驱动 和 斩
8、波平滑驱动 。 斩波恒流驱动优点为 : （ 1）各相斩波频率相同， 有效地抑制了因各相斩波频率不同 所 产生的噪声 ; （ 2） 斩波频率高，消除了 H频噪声，电机运行时安静无污染 ; （ 3） 高频运行时电 流平滑，高频性能好 ; （ 4） 斩波频率和脉宽可调，容易调整最佳运行状态 : （ 5）高频响应大大提高；输出转矩均匀；共振现象消除；线路较复杂。 图 2 斩波恒流驱动 如图 2 所示， 斩波恒流驱动 ， 驭动电压高 且 电动机绕组回路 没有 串 联 电阻， 因此 电流上升 快 。达到所 预期 数值时， 在 电阻反馈控制 下 ，绕组电流恒定，保证 了在任何大 频率范围内的 电动机都能输出
9、 恒 定的转矩。 4 三、 控制方式 步进电机的运行特性很大程度上是受限于驱动脉冲的频率，即驱动电机的升频。另外，驱动电机和细分数的选择对步进电机的运行也有一定的影响 4。 3.1 利 用 FPGA 设计具有以下优点： （ 1） 硬件设计软件化： FPGA 的开发可以 直接在 EDA 软件上仿真 而不需要硬件设备 。硬件电路板的设计 完成后 由 EDA 软件生成文件下载 至 设备中进行调试， 若 结果 不符合 要求，就可以 马上修改 设计软件而 不需 改动外接硬件电路 ，使得 系统设计更加简单，实时性和灵活性上都有很大的提高，有利于步进电机的运动控制 6。 （ 2） 高度集成化、高工作频率：
10、FPGA 内部都集成许多的逻辑门，可以在其内部规划出多个与传统小规模集成器件 的 功能相当的模块。另外，一般的 FPGA 内部 均 有分频电路模块和 PLL 倍频，因此可以在外部采用较低频率的晶振而在内部获得较高频率的时钟，进一步解决了电磁干扰和电磁兼容问题 6。 3.2 利用单片机和 CPLD： 步进电机控制方式 是 微处理器 , 控制脉冲以定时器方式产生 , 占用较多 的 系统资源 , 成本较且脉冲频率受微控制器性能的限制；而 CPLD 器件具有速度快、功耗低、抗干扰能力强、与外围电路接口方便 的 特点 , 更多地 能 应用于各种工控、测量、仪器仪表等方面 7。 方法 :单片机采集信号 ，
11、 计算 控制消息后 再传送给 CPLD,CPLD将 接收到的信息转换成步进电机的控制信号并输出给电机的驱动电 路。 它的 优点是单片机与 CPLD 互不干扰 ,各行其是；单片机不占用过多的 CPU 资源 ,降低 了干扰的可能性 ； 同时， CPLD只需把单片机传送过来的信号转换成电机的实际控制信号 ,二者的优点得到充分的发挥 8。 3.3 利用 DSP（ PWM波）： DSP采用 的是 软、硬件结构， 所以 内部的程序空间和数据空间分开，可以同时访问指令和数据，并且具有事件模块管理功能及快速的中断处理的功能 。 DSP 控制部分负责发送 PWM 波、细分值数字量、 DA 芯片的片选信号。逻辑合
12、成部分中通过使用可编程逻辑器件 , 把相序信号和 PWM 波进行 合生成带斩波的相序信号 9。根据比较寄存器的不同， PWM 波有 2 种方法 ： 1.使用定时器的比较寄存器。利用定时器、定时器周期寄存器和比较寄存器作用输出 PWM 波； 2.使用比较单元的比较寄存器。 6个比较单元，每个比较单元各输出 2个可带死区的 PWM 波 10。 5 四 、 总结 本文以讲解了 PFGA的控制方式为主。 步进电机控制的最大特点 就 是开环控制，不需要反馈信号 。 控制系统中的核心芯片是 FPGA， FPGA由两大功能模块组成： 分别是 移位定位控制模块和方向控制模块 ； 移位控制模块的核心是锁相环 P
13、LL宏模块电路 ， 在不同速 度控制信号作用下，可将分频后的系统时钟改变为不同的 PWM信号， 再 将此信号作为变频时钟，改变步进电机速度。方向控制模块的核心是脉冲分配电路，脉冲分配器在不同的方向控制信号下产生方向不同的时序脉冲，从而控制步进电机时针 顺逆 转动。 随着现代自动技术和智能技术的发展，步进电机的应用已经非常广泛。同时，随着集成芯片制造技术的快速发展，可编程逻辑器件在速度和集成度两方面 都 得到了飞速的提高。由于它具有体积小、费用低、速度快、用户可定义功能及 可 重复编程和擦写等诸多优点，其应用领域也在不断扩大，越来越多的电子系统开始采用可编 程逻辑器件来实现数字信号处理。 参考文
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