（信号与信息处理专业论文）基于dsp与fpga的两相混合式步进电机细分驱动的实现.pdf

摘要 在步进电机驱动方式中，效果最好的是细分驱动，当今高端的步进电机驱 动器基本都采用这种技术。步进电机的细分驱动技术是一门综合了数字化技术、 集成控制技术和计算机技术的新技术，被广泛应用于工业、科研、通讯、天文等 领域。 本文设计了一种基于d s p 以及f p g a 的两相混合式步进电机s p w m ( 正弦 脉宽调制) 波细分驱动系统。在d s p 系统中采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 微控制器作 为核心控制器件，用软件产生s p w m 波；在f p g a 系统中采用f p g a 芯片，通 过v e r i l o g h d l 语言，实现了s p w m 波；在功率驱动级电路上采用双极性h 桥 的驱动方式。最终实现了对两相混合式步进电机s p w m 波细分驱动，大大提高 了步进电机的运转性能。 本文介绍了两相混合式步进电机的工作原理、控制原理以及细分驱动的基 本原理。通过对匿转矩细分驱动的分析，提出了两相混合式步进电机s p w m 波 细分驱动的方案，并给出了s p w m 波产生的数学模型。最后，对步进电机的 s p w m 波细分驱动系统进行了实验测量，给出了实验结果。 实验的结果表明，设计的基于d s p 与f p g a 的s p w m 波细分驱动系统可 以很好地克服电机低频振荡的问题，提高电机在中、低速运行的性能。电机的扫 描范围与理论值基本接近：微步距在误差允许的范围内也基本可以满足要求。 关键词：两相混合式步进电机s p w m 细分驱动d s pf p g a 作者签名 a b s t r a c t l nt h ed r i v i n gt e c h n o l o g yo fs t e p p i n gm o t o r ，s u b d i v i s i o nd r i v i n gt e c h n o l o g yh a s t h eb e s te f f e c t i ti sa p p l i e dt om o s to fh i g h l e v e ld r i v e r so fs t e p p i n gm o t o r t h e s t e p p i n gm o t o r ss u b d i v i s i o nd r i v i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fn e wt e c h n o l o g i e sw h i c h s y n t h e s i z ee l e c t r i c a ld i g i t a lt e c h n o l o g y , i n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y i t sw i d e l ya p p l i e dt oi n d u s t r y , s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，c o m m u n i c a t i o n ， a s t r o n o m ya n ds oo n i nt h i st h e s i s ，as u b d i v i s i o nd r i x ，i n gs y s t e mw i t hs p w m ( s i n ew a v ep u l s ew i d e m o d u l a t e ) w a v eo ft w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rb a s eo nd s pa n df p g ai s d e s i g n e d i nt h ed s ps y s t e mw h i c ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h ec o r eo fc o n t r o l p a r t s ，t h es p w mw a v ei sg e n e r a t e db ys o f t w a r e ；i nt h es y s t e mo ff p g a ，t h e s p w mw a v ei sm a k e db yf p g ac h i p sv i av e r i l o g h d l ；a m b i p o l a rd r i v i n gc i r c u i ti s u s e da sp o w e rd r i v i n gs y s t e ma tl a s t ，t h es u b d i v i s i o nd r i v i n gs y s t e mw i t hs p w m w a v eo ft w o p h a s e h y b r i ds t e p p i n gm o t o ri si m p l e m e n t e d ，t h ep e r f o r m a n c eo f s t e p p i n gm o t o ri sg r e a t l yi m p r m ，e d i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gp r i n c i p l e 、 s u b d i v i s i o nd r i v i n go ft w o p h a s eh y b r i d c o n t r o lt h e o r ya n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f s t e p p i n gm o t o ra r ei n t r o d u c e d t h r o u g h a n a l y z i n gs u b d i v i s i o nd r i v i n gw i t hc o n s t a n tt o r q u e ，am e t h o do fs u b d i v i s i o nd r i v i n g o fs t e p p i n gm o t o rb a s e do ns p w mw a v ei sp r e s e n t e d ，t h e nt h em a t h e m a t i c sm o d e lo f s p w mw a v ei sa l s os h o w n f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n to ft h es y s t e mh a db e e n p e r f o r m e d ，t h er e s u l t sa r es h o w n a sf o l l o w i n g ： u s i n gt h es u b d i v i s i o nd r i v i n gs y s t e mw i t hs p w mw a v eb a s eo nd s pa n df p g a c a n m a r k e d l yd e c r e a s el o wf r e q u e n c yv i b r a t i o no ft h em o t o r , a n dc a ne n h a n c em o t o r s a c c u r a c yt h e s c a nr a n g eo ft h en l o l o ri sc l o s et ot h ev a l u eo f t h e o r yt h er e s u l to ft h e m i c r os t e pa n g l ei sm e e tw i t h i nt h er a n g eo fe r r o r k e y w o r d ：t 、o p h a s eh y b r i ds t e pm o t o r ，s p w m ，s u b d i v i s i o nd r i v i n g ，d s p ，f p g a 本人申明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签套： 堕! 兰矗一日期： ! ! ：! ：塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国科学院光电技术研究所有关保留、使用学位论文的 规定，同意中国科学院光电技术研究所保留或向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院光 电技术研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丑皇垒导师签日期：鳗亟：盘：墨望 第一章概述 第一章概述 步进电机( s t e pm o t o r ) 是一种将离散电脉冲信号，转化成相应的角位移或 线位移的电磁机械装置，是一种纯粹的数字控制电动机。每输入一个脉冲信号， 改变一次励磁状态时转子前进一定角度，若不改变励磁状态则保持一定位置静 止。自二十世纪中期以来，步进电机的应用已经出现在数字控制的各领域，特别 是在工业、航天、机器人、精密测量等领域。步进电机本身具有许多不可替代的 优点：具有一定的开环控制精度，步进误差不长期积累；无刷，可靠性高；易于 启动、停止、正反转及变速控制，且响应性也较好：与计算机接口方便等。总的 来说步迸电机易于控制，精度较高。在本课题所涉及的领域要求电机在扫描与跟 踪的过程中，电机的转矩要基本保持恒定，这样电源的输出功率也可基本保持恒 定，减小了对电源的影响。若是采用直流电机，会出现在扫描过程中加速度比较 大，在跟踪过程中加速度比较小的情况，这样对电源的影响比较大；采用步进电 机可以有效的改变这一问题。 当电机和负载已经确定了之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动电源 与控制方法。目前，步进电机常用的驱动方式有常规开环步进驱动技术、升频升 压控制技术、高低压驱动、恒流斩波控制以及细分驱动、集成模块驱动等。其中 细分驱动法与集成模块的控制效果比较好。 1 2 研究的目的和意义 本课题旨在研究设计一套步进电机细分驱动的软、硬件实现的方法，为以后 精确有效的控制步进电机探索一条可行之路。为此，我们利用d s p 与f p g a 构 成了硬件平台，在此基础上进行了两相混合式步进电机细分驱动的一些实验，并 且取得一些实验结果。 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 1 3 国内外现状和发展趋势 1 3 1 步进电机不同的驱动方式及发展趋势 一般的开环步进驱动，这种驱动方式因为是开环控制，存在比较大的误差， 很难达到较高的位置控制精度。 升频升压控制方法，这种驱动方式通过变换电路使加在电机绕组上的电压随 运彳亍频率的升高而升高，从而在一定的升频升压频域内保持绕组电流和牵出电磁 转矩基本恒定。利用这种方法可降低低频振动，改善步进电机的低频性能。但是 目前升频升压控制主要是开环控制，易受供电电压影响，并且由于电机电阻较小， 低速运行时驱动器输出电压必须较小才不致产生过电流，而过低的绕组电压使得 电机的快速响应性比较差【1 ”。 高低压驱动，它的设计思想是不论电机的工作频率如何，在绕组通电的开始 用高电压供电，使绕组中的电流迅速上升，而后用低电压来维持绕组中的电流。 电流波形的前沿越陡，越有利于绕组磁场的快速建立。它可以保证在很宽的频带 内保证绕组有较大的平均电流，在截止时又可以迅速泻放，因此可以产生较大且 稳定的电磁转矩，驱动系统可以得到较高的响应。但是由于这种驱动线路在低频 时绕组中电流有较大的上冲，所以低频时电机振动较大，低频共振现象仍然存在 1 1 1 】。 恒流斩波驱动，又称恒电流驱动，是一种在导通、锁定、低频、高频工作 状态下都保持绕组电流恒定的有效的驱动方式。步进电机常用于开环控制，频繁 的换相使电流的波形起伏较大，这会影响转矩的变化，恒流斩波可以解决这个问 题。它可以提高电源效率，可以有效地抑制共振，并且由于无需外接影响时间常 数地限流电阻，所以提高了高频性能。但由于电流波形为锯齿波，将会产生较大 地电磁噪声j 。 细分驱动，步进电机的细分驱动技术从本质上是种电流反馈控制。步距角 细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋 转的细分方法，即同时改变电机两相电流的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转。 这种方法从理论上消除了相角滞后的变化对细分角的影响，确保电机步距角细分 的实现。利用步进电机细分驱动技术能够使步进电机的分辨率大大提高，同时也 第一章概述 能够有效地降低逼近电机低频运转时的振动和噪音。细分技术使步进电机的控制 进入了一个新的空间，当今高端的步进电机控制器都采用这种技术 7 捌。 集成模块驱动，以上介绍的驱动线路一般都是用分立元件搭建而成，电路 的稳定性不是很好。随着集成电路的发展，出现了功率驱动模块化、前级控制电 路集成化的各种电机驱动器，它们的出现使得驱动系统的设计变得比较简单。它 们大多集驱动和保护于一体，作为小功率步进电机专用驱动芯片，广泛应用于小 型仪表、计算机外设等领域。作为步进电机的驱动元件，它使得机器的体积大大 碱小，可靠性提高，特别易于与计算机接口】。 现在在步进电机的控制领域也出现了一些新兴的技术。如：矢量控制等【1 0 1 ， 这些尚处于起步阶段，有诸多问题仍需解决。 1 3 2 步进电机细分b i 动的必要性6 】 步距角是指每给出一个电脉冲信号步进电机所转过的机械角度。步距角 的计算公式为： 吼：360。(1-1) m z r 式中：z ，一转子齿数； m 一运行拍数，通常等于定子相数或相数的整数倍。 由式( 1 1 ) 可知，步距角的大小由转子齿数和定子相数决定，由于受制作工艺 的限制，转子齿数和定子相数是有限的，所以步进电机的步距角一般较大。 步迸电机在低频运行时振动比较严重，而且有较大的噪音。其振动和噪音比 其它类型的微电机都高，这样使得步进电机一般只能用于一些要求比较低的场 合；在要求较高的场合，只能采用闭环控制，增加了系统的复杂性。并且这些缺 点严重地限制了步进电机作为优良的开环控制组件的更有效利用。细分驱动技术 在一定程度上有效地克服了步进电机的这些缺点。 13 3 步进电机细分驱动的研究现状 步进电机细分驱动技术是是一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱 动控制技术于二十世纪7 0 年代中期发展起来的。1 9 7 5 年美国学者t rf r e d r i k s e n 薹三旦翌量! ! 旦垒竺堕塑望鱼茎生堂皇垫塑坌翌垫塑壅墨 首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制 方法。在其后的几十年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展。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，提高运行的平稳性，增加控 制的灵活性。 国内外对步进电机细分驱动器的研究都比较多。国内从上世纪九十年代中 期得到较大发展，如：中科院南京天文仪器研制中心开发了一种1 0 2 4 正弦波细 分驱动器，成功用于恒星光干涉议的自动控制系统之中y ：中科院自动化研究所 研制的步进电机细分驱动器系列，其中针对三相反应式步进电机，细分数为1 0 ； 哈尔滨工业大学开发了一种基于d s p 的二相混合式步进电机s p w m 驱动系统： 国外代表性的产品主要有日本s a n y o 、o r i e n t l e 、r o r z e 公司生产的驱动器。 1 4 主要研究内容、途径以及技术路线 本课题所用到的步进电机是两相混合式步进电机，论文研究的内容是实现两 相混合式步进电机的高倍细分驱动。随着d s p 技术的出现和发展，产生了d m c ( 数字电机控制) 技术和多种先进的电机控制方法，d s p 强大的外设功能使得利 用d s p 技术进行电机的数字控制比相应的单片机系统要更加有优势。在设计中 利用单片机、d s p 以及f p g a 来搭建了系统的硬件平台。利用单片机实现了正 弦波细分的步进电机线性驱动、在d s p 中实现了步进电机的s p w m ( 正弦脉宽 调制) 细分驱动，最后给出了实验结果。通常状况下，微处理器通过定时中断服 务程序产生s p w m 脉冲，在每个载波周期必须进行中断处理，对处理速度要求 较高，从而也限制了载波频率进一步的提高，同时微处理器的处理任务也更加繁 重，所以在论文的最后提出了在d s p 控制的基础上利用f p g a 平台实现步进电 机s p w m 驱动的方法并给出了一些实验结果。 1 5 论文组织安排 本章对论文的研究背景、目的以及主要的研究0 , 1 容做了一个简要的介绍。 第二章介绍了两相混合式步进电机的结构与控制原理。主要分析了两相混 合式步进电机的结构以及给出了步进电机在不同的供电模式下的电磁转矩矢量 分析。 第一章概述 第三章介绍了两相混合式步进电机细分驱动的原理以及s p w i v l 波的生成 原理。主要分析了步迸电机细分驱动的基本原理，并介绍了常用的步进电机细分 驱动的实现方法，最后提出了两相混合式步进电机s p w i v i 细分驱动的方式，阐 述了几种计算s p w l v l 波的数学模型。 第四章介绍了两相混合式步进电机正弦波细分线性驱动的实现。主要分 析了正弦波细分线性驱动的原理，给出了它的硬件实现过程。在此基础上，测得 了实验的结果。 第五章介绍了基于d s p 的两相混合式步进电机的s p w m 驱动的实现。给出了 d s p 软件实现s p w m 波的方法和程序流图，在此基础上提出了变载波频率变调制 比的s p w m 生成方法。并且结合功率驱动电路，得到基于d s p 的步进电机细分驱 动系统的实验结果。 第六章介绍了基于f p g a 的两相混合式步进电机的s p w m 驱动的实现。给出了 f p o a 系统中实现s p w m 波的方法，结合功率驱动电路，测得了实验结果。 第七章总结。 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 第二章两相混合式步进电机的结构与控制原理 2 1 步进电机的分类1 1 1 步进电机可以分为三大类： ( 1 ) 反应式步进电机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，简称v r ) 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结 构简单，成本低，步距角可以做的很小，但动态性能较差。 ( 2 ) 永磁式步进电机( p e r m a n e n tm a g n e t ，简称p m ) 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。 它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般 较大。需供给正负脉冲信号。 ( 3 ) 混合式步进电机( h y b r i d ，简称h b ) 混合式步迸电机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大， 动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。 混合式步进电机是一种十分流行的步进电机，它具有运行频率高、动态力 矩大、波动小、运行平稳、低噪声、定位精度和分辨率高等优点，已广泛应用于 诸如数控装置、机械手、商业机器、自动化仪器、印刷、服装加工和包装设备、 军事设备等机电一体化设备中。混合式步进电机主要包括两类，两相式和五相式。 其中两相式是最常见的一种，除了具有以上优点外，它还具有明显的零电流定位 转矩，所以应用广泛。我们使用的步进电机是日本东方电机公司的两相混合式步 进电机p k 2 4 3 m - - 0 1 b ，基本步距角为o 9 。，额定电流是o 9 5 相，线圈电阻4 2 f l 相，重o 2 4 k g ，两相六个接线头。 22 两相混合式步进电机的结构特点 混合式步进电机由定子和转子两部分组成。常见的定子有4 个极或8 个极， 极面上均匀分粕一定数量的小齿，极上的线圈可以两个方向通电，形成a 相与a 一相，b 相与b 一相。它的转予也出圆圈上均匀分佃一定数量小齿的两片齿片组 成，两片齿片中间兴有一个轴向充磁的环形永久磁钢。同一段转子片子上的所有 第二章两相混合式步进电机的结构与控制原理 齿都具有同向极性，而两块不同段的转子片间的极性相反。电机的轴向结构如图 2 1 所示。转子被分为完全对称的两段，一段转子的磁力线沿转子表面呈放射形 进入定子铁心，称为n 极转子；另一段转子的磁力线沿定子表面穿过气隙回归 到转子中去，称为s 极转子。从轴向看，n 极的转子和s 极的转子的齿中心线并 不一致，而是彼此错开了半个齿距。此外，n 极与s 极的转子构造完全相同。 两相混合式步进电机的气隙磁动势有两种：一种是由永磁体产生的磁动 势：另一种是由定子绕组产生的磁动势。在每一个具体的磁极下，这两种磁动势 有时相加，有时相减，随交流绕组中通人的电流方向变化而变化。按照特定的时 序激励，电机就可以沿顺时针或逆时针连续转动。 o 貌 卜斗矧 r l 定子 融n 籽 扩绷w 图2 1 两相混合式步迸电机的轴向结构 2 3 两相混合式步进电机的控制原理 步进电机控制按供电方式的不同可分为两种：零电流和两项绕组供电方式。 零电流方式，电机各相绕组中没有电流时的情况。这时气息的磁动势仅由 转子上永磁体的磁动势决定。由于电机的轴向结构是完全对称的，所以各个定子 磁极下的气隙磁动势将完全相等。若将每个磁极看作一个独立的定位电磁铁，则 其定位转矩的幅值和气息磁动势的平方成正比，其定位转矩的相位取决于该磁极 中心线在空间的位置。由于电机的径向对称性，电机零电流时的合成转矩为零。 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 两相绕组供电方式，有单四拍、双四拍、单双四拍等控制方式， 2 4 分别表示单四拍、双四拍、单双四拍控制方式的转矩图。 厂j 、 、j ? 图2 - 2 单四拍控制方式的转矩图 t b a - t a - b - jj j ， j t b + a 图2 - 3 双四拍控制方式的转矩图 k。 淀 7 。 t a + b ； 图2 4 单双四拍控制方式的转矩图 单四拍控制方式下给两相混合式步进电机通电，则转子每拍进1 4 个转子齿 距，转矩恒定：双四拍控制方式，转子每拍也是迸1 4 个转予齿距，转矩也恒定， 第二章两相混合式步进电机的结构与控制原理 只是每一拍为两相绕组同时通电，产生合力矩，所以转矩的大小为单四拍时的j 倍：单双四拍控制方式包括了单四拍和双四拍两种控制方式，交互通电，8 拍为 一个循环，转子每拍进1 8 个转子齿距，步距角减小为单四拍和双四拍时的1 2 ， 每拍产生的转矩大小也不等，双拍为单拍的互倍。 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 第三章两相混合式步进电机细分驱动的原理及$ p w m 波的生成原理 步进电机的细分驱动理论发展了近几十年，过去由于受到电子元器件在开 关频率、负载能力、运算速度等诸多方面的制约，很长一段时间细分控制的实际 应用很少。随着微电子技术特别是单片机嵌入式系统及d s p 技术的飞速发展以 及现代电力电子技术的突飞猛进，步进电机的细分控制也得到了充分发展。 3 1 步进电机细分驱动的基本原理 对步进电机步距角进行细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现。在通 常的步进电机驱动电路中，各相绕组的电流是个开关量，即绕组中的电流只是零 或某一额定值两种状态，与此对应的各绕组产生的磁场也是一个开关量。如果能 控制定子绕组中电流的变化，使合成磁动势以微步距转动，则可以实现对步进电 机的原有步距角细分，使转予以任意小的步距增量旋转，增加其运动的连续性， 提高步进分辨率和定位精度。细分驱动的基本思想就是在每次输入脉冲切换时， 不像单拍或双拍那样将相应绕组的电流全部通入或关断，而是只改变相应绕组的 额定电流的一部分，这样步进电机的合成磁力势也只旋转步距角的一部分，从而 使转子每步运行的角度也只是步距角的一部分。利用电流控制技术可以有效的实 现步进电机的微步驱动，以更多的步数转过相同的角度，在不改变电机的内部参 数的情况下，减小了步进误差，提高了分辨率和步进精度。细分后，驱动电流的 变化幅度减小，故转子达到平衡位置时的过剩能量也减小并且控制信号的频率也 提高了n ( 细分数) 倍，远离了转子的低频谐振频率，这样就减弱低频振动问题。 3 2 步进电机。垣转矩细分的方法 细分的方法有多种，常有的等电流变化细分方法可实现细分驱动，但是步距 精度不是很高。我们知道，在电机的定子上，空间角互差9 0 。安置的两相绕组通 以相位差为9 0 。的f 弦波，就可以产生一个圆的旋转磁场。如果转子上有磁极， 则该旋转磁场带动转子同步旋转，这是同步电机的原理。基于此，将相位差为9 0 。 的两相电流加入两相步进电机的两个绕组，该步进电机也和同步电机一样平稳地 第三章两相混台式步进电机细分驱动的原理及s p w m 波的生成原理 运转。电机旋转力矩的大小由合成磁场矢量幅值决定，而相邻两合成磁场矢量夹 角决定了步距角的大小。要使电机平稳匀速，等步距角转动，关键是合理控制电机 绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的角度变化也要 均匀。如果在两相绕组中通以相差是9 0 0 的两路“阶梯型”拟正弦波电流，就 可以得到恒转矩细分的效果。“阶梯”越细小就越接近于正弦波，得到的微步距 角越小，效果越好，这就是电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法。两相混合式步进 电机通电时的电流合成矢量图如图3 - 1 ， 图3 1 步进电机通电时的电流合成矢量图 电机转子由a 到b 转过9 0 。角度，电机则转过一个步距角0 9 。细分时9 0 0 角度进 行7 等分，对应的细分后的步距角为0 9 。n 。两相电流按式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 变化 即按三角函数关系变化时 1 2 l mc o s a 1 62 i s l n a ( 3 1 ) ( 3 2 ) 则合成后的电流矢量为i ，幅值为i 。转过的空间角为口。令a = 兰s ，j 为细 o n o ，7 分数，s 为步数，这样电流矢量就可实现恒幅均匀旋转。细分后电机的转矩图如 图3 2 。 k、 宙。一 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 图3 - 2 细分后的转矩图 33 步进电机细分驱动的实现 目前，步进电机的细分驱动电路大多数都采用单片机或d s p 控制，这些电 路体积小，精度也比较高。控制电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和 开关型。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受控制器输 出的数字信号的控制，电路简单，但是由于末级功放管工作在放大状态，功放管 的功耗较大，发热也比较大，容易引起晶体管的温度漂移，并且功率利用率也不 是很高，影响驱动电路的性能，甚至可能由于晶体管的热击穿导致电路无法正常 工作，因此这种驱动电路一般用于驱动电流较小的场合。开关型步进电机的细分 驱动电路的末级功放管工作在开关状态，晶体管上的功耗大大降低，克服了放大 型细分电路晶体管发热严重的现象，但电路较复杂，一般用于输出力矩较大的步 进电机的驱动。比较常用的开关型步进电机细分驱动电路有脉宽调制式和恒流斩 波式两种。 3 31 脉宽调制驱动 脉宽调制是利用半导体器件的导通与截至把直流电压变成电压方波，并通过 改变电压方波的占空比( 脉冲宽度或周期) 来达到变压的目的，或是同时改变方 波的脉冲宽度和脉冲的周期来达到变频变压目的的一种控制方法。图3 3 为脉宽 调制的产生波形。 第三章两相混合式步进电机细分驱动的原理及s p w m 波的生成原理 载波j 调制波5 。 i l i ? ， 图3 3 脉宽调制产生的调制信号波形 载波信号s ，采用等腰三角形，调制波为s ，当s 。， s ，时输出为高，s 。 s ，时输出 为低，形成的调制信号是等幅，等周期的方波。改变调制波s 。的幅值，调制信 号的脉冲宽度就会随之改变，若改变载波信号s ，的频率，就可以改变调制信号的 周期值。这样输出到电机绕组上的平均电流值也会改变，这样就可以实现细分电 流的控制。 332 恒流斩波驱动 恒流斩波的可以使绕组电流不论在锁定、低频或高频工作时都保持额定值。 这种驱动系统的原理图如图3 - 4 。 图3 - 1 恒流斩波驱动电路原理图 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 v 1 是一个高频开关管，开关管v 2 的发射极接一个小电阻r ，电机绕组的电流经 过这个电阻入地，所以这个电阻是电流取样电阻，比较器的一端接给定电压“， 另一段接取样电阻上的压降，当取样电压为零时，比较器输出高电平。当控制脉 冲“，为低电平时，v l 和v 2 两个开关管均截止；当“，为高电平时，v 1 和v 2 两个 开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，r 上的电压逐渐升高， 当超过给定电压“，的值时，比较器输出低电平，与门输出低电平，v 1 截止，电 源被切断。当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电平，与门也输 出高电平，v 1 又导通，电源又开始向绕组供电，这样反复循环，直到“变为低 电平。以上的驱动过程表现为：v 2 每导通一次，v 1 导通多次，绕组的电流i 波形 就会形成小的锯齿波，稳定在一定值附近，见图3 - 5 。在v 2 导通的时间里，电 源是脉冲式供电，所以提高了电源效率，并且有效的抑制共振，由于无需外接影 响时间常数的限流电阻，所以提高了高频性能。但是有于电流波形为锯齿状，将 会产生较大电磁噪音。 图35 恒流斩波驱动波形图 第三章两相混合式步进电机细分驱动的原理及s p w m 波的生成原理 3 4s p w m 波的产生原理与方法| 1 5 】 在上面我们讨论两相步进电机恒转矩细分驱动时，要在两相绕组加上相差 9 0 。的“拟正弦波”。但是一组等距方波不能代替正弦波，因为它存在许多高次谐 波的成分。一种方法是将等距的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度的变化规 律应该符合正弦的变化规律。我们把这种波称为正弦脉宽调制波，简称s p w m 波，它可以大大地减小谐波成分。在本设计中我们采用了这种s p w m 驱动的方 式。 s p w m 技术目前已经在实际中得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大 致可以分为电压s p w m ，电流s p w m 以及磁通s p w m ( 也称电压空间矢量p w m 即s v p w m ) ，其中电压和电流s p w m 是从电源角度出发的s p w m ，而电压空间 矢量p w m 是从电机的角度出发的s p w m 。下面我们主要说明电压s p w m 的生 成原理与方法。 34 1s p w m 波产生的原理 产生s p w m 波的原理是：用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较如图 3 - 6 所示，其相交的时刻即交点来作为开关管“开”和“关”的时刻。将这组等 腰三角形称为载波；而正弦波称为调制波。正弦波的频率和幅值是可以控制的。 改变正弦波的频率，就改变了输出电源的频率，从而改变了电机的转速；改变正 弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点位置，使输出的脉冲序列的占空比 发生改变，从而改变了输出电压。 基于d s p 与f p g a 的两相混台式步进电机细分驱动的实现 ii 时 一l 断的叫 i 广 1 s p w x l 波 图3 - 6s p w m 波生成原理 3 4 2s p w m 生成的方法睁2 0 产生s p w m 信号的方法可分为硬件法和软件法两种。硬件法中最实用的就 是专用集成电路，如h e f 4 7 5 2 ，s l e 4 5 2 0 ，s a 4 8 2 8 等￥；另外随着f p g a 技术的发 展，在f p g a 中实现s p w m 的方法也得到了一些发展。软件法是电路成本最低的办 法，它通过实时计算生成s p w m 波，但实时计算对控制器的运算要求非常高，d s p 无疑是能满足这一要求的性价比最理想的控制器。 s p w m 信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法有许多种，例如谐 波消去法、等面积法、以及采样型s p w m 法等。下面着重介绍采样型s p w m 法生成 的几种方法。 ( 1 ) 自然采样法 前面介绍s p w m 波的产生原理，即利用正弦波和等腰三角形的交点时刻来决 定丌关管的l 丌关模式。利用这一原理生成的s p w m 的方法就是自然采样法。下面 来推导它的数学模型。 币弦波u 。，s i n ( o l 和三角波所生成的s p w m 波之问的对应关系如图3 7 。图中 u 。是三角载波的峰值，r 是三角载波的周期，f 弦波和三角波的两个腰各产生 第三章两相混合式步进电机细分驱动的原理及s p w m 波的生成原理 一个交点，因此在一个载波周期内有两个交点，需要采样两次，t ，和f ：分别是 这两次采样时刻，它们决定了s p w m 波上的“开”、“关”时间分别为f 。、锄，和 f 。2 、町2 。由图3 - 7 可得： r k ，2 j + o k12 孑+ 6 r 7 0 i2 j o 下 ，咿2 2 1 4 z _ c b ( 3 3 ) 4 缸1 ：1 f i砌、 二一 f。 7 。 v l 悄 7 一 t ll 0 。 0 f o 】0 2 图3 7 自然采样法生成s p w m 波 根据三角形相似关系，则有 口一u ，s i n 删l 钐 u s b u ，s i nc o t 2 t u ， 4 将解得的口，b 带到式( 3 - 3 ) 中，可以得到 ( 3 4 ) 式( 3 - 5 ) 中3 , 4 = u 形，即正弦波峰值与三角波峰值之比，m 称为调制度。 巧0 ， j 耐 渤 舌； m 一 一 0 0 i 一4 r 一4 = = 嘭 v 耐 耐 弓| 咖 m+ + 0 q i一4r一4 = i i i 2 o 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 m 的取值范围为0 1 ；m 值越大，输出的s p w m 电压越高。功是正弦波的角频 率，改变就可以改变电机的转速。 生成的s p w m 波的脉宽为 t o = t o n i ：冬 1 + 要( s i nc o t 。+ s i n c o t ：) ( 3 - 6 ) 式( 3 - 6 ) 是一个超越方程，其中的f ，、f ：是未知量，求解起来要花费较多的时 间，因此自然采样法模型不适用于实时控制。 ( 2 ) 对称规则采样法 对称规则采样法是以每个三角波的对称轴( 顶点和底点对称轴) 所对应的 时间作为采样时刻。过三角形的对称轴与正弦波的交点，作平行r 轴的平行线， 该平行线与三角波的两个腰的交点作为s p w m 波“开”和“关”的时刻，如图 3 8 所示。因为这两个交点是对称的，所以称为对称规则采样法。 ju 矗1 ： u t 、i 王, i n f i加以、 f 一 ? v。7 r l - 0 k n 7 k fo“ ， ， 图3 - 8 对称规则采样法生成s p w m 波 这种方法实际上是一个阶梯波去逼近f 弦波，由于每- i 、三角波周期只采样 一次，所以使计算得到简化。 下面推导它的数学模型。由图3 - 8 可得： k r 等枷 ，胡t2 一，( 3 - 7 ) i 笙要量旦堕塑篓望鲨型世坌墨垫塑堕翌墨! ! 竺垫塑竺壁堕型 将三角形相似关系式( 3 4 ) 代入( 3 7 ) ，得 。t2 等( 1 + ”s i n 喁)， 。= 冬( i m s i n 吼) ( 3 - 8 ) 因此，生成得s p w m 波的脉宽为： 7 m22 7 2 ( 1 + m sin删，)(3-9) 令三角波频率正与f 弦波频率厂之比为载波比n ，因此有 肚等2寿(3-jo) t ? ，2 【 ( 女。0 ，1 ，2 ， l 1 ) ( 3 - 1 1 ) 式中，k 为采样序列号。所以有 ， 删，。2 矾= 2 班= 百2 n c ( 3 - 1 2 ) 将式( 3 1 2 ) 代入式( 3 9 ) ，得 r 。= 枷n ( 等) 】( 七砘l ，2 ，1 ) ( 3 1 3 ) 当参数t 、m 、已知后，就可以根据式( 3 1 3 ) 实时计算出s p w m 波的脉宽时间。 ( 3 ) 不对称规则采样法 对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波周期只采样一次， 因此所形成的阶梯波和正弦波的逼近程度仍存在较大误差。如果既在三角载波的 顶点对称轴位置采样，又在三角载波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周 期采样两次，这样所形成的阶梯波和正弦波的逼近程度会大大提高。不对称规则 采样法生成s p w m 波如图3 - 9 所示。 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 u 王4 “5 1 “。 ? ，t 、 一节 f - - i 。 f 。 f 犁 j r l z ， l 0 f 。m r 弋川。】f ，： ， 图3 - 9 不对称规则采样法生成s p v n v 波 由于这样采样所形成的阶梯波与正弦波的交点并不对称，因此称其为不对称 规则采样法。 由图3 - 9 可得，当在三角载波的定点对称轴位置t ，时刻采样时，则有 7 1r t e n l 2 i 4 彻，锄。卅( 3 - 1 4 ) 当在三角载波的底点对称轴位置f ：时刻采样时，则有 = ；+ e ，t o f f 2 = 鲁山 将三角形相似关系式( 3 4 ) 代x ( 3 1 4 ) 、( 3 - 1 5 ) ，得 ( 3 - 1 5 ) 研 j ，( 1 - m s i n 删” ( 3 1 6 )t。， 咿22 - ( i - ms i n o t ：) 生成的s p w m 波脉宽为： r 。= r 。+ r 。：= 冬【1 + 等( s i n o r , + s i n 研! ) ( 3 _ 1 7 ) 由于每个载波周期采样两次，所以 ) ) 耐 研 舌| 专| m m + 0 0 t一4z一4 二 l i i 2 0 o 笙三垦堕塑望鱼塞生些皇垫塑坌矍垫竺星型墨! ! ! 竺垫塑竺垡堕型 f 。= 三2 女( 女= o ，2 ，4 ，2 n - - 2 ) r ：= 墨2 女( 一1 ，3 ，5 ，2 a 。1 ) 结合式( 3 1o ) ，则有 倒。= 2 矽= 2 班手= 等 ( 七一o ，2 ，4 ，2 ，- 2 ) 鲥：= 2 矽：= 2 班拿= 等 ( 七_ 1 ，3 一一，2 ，- 1 ) ；i q - 式( 3 1 9 ) 代入式( 3 1 6 ) ，有 ，。= 寻m s i n 争 r 。= ；c i n 旁 ( 女= o ，2 ，4 ，2 l - 2 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 女2 1 ，3 ，5 ，2 肛1 ) ( 3 2 0 ) 式( 3 2 0 ) 中，七为偶数时代表顶点采样，七为奇数时代表底点采样。 在我们我们的设计中，就是采用了这种不对称规则采样法生成的s p w m 波。 它虽然数学模型稍微复杂一些，但是由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐波分 量的幅值更小。 上面是单相s p w m 波生成的数学模型。现在要生成两相的s p w m 波，必须 使用两条正弦波和同一条三角波求交点。两条正弦波相位差为9 0 。，即 ”s i n ( 争，铲s i n ( 等+ 争 ( 3 - 2 1 ) 采用不对称规则采样法，则顶点采样时有： 匕2 争1 + ms i n ( 和 岛= ； 1 + 枷n ( 熹+ ( ，2 ，4 矧吲 ( 3 - 2 2 ) 底点采样时有： 幺= 扣肌i n ( 和 基于d s p 与f p g a 的两相混合式步进电机细分驱动的实现 盘= 每 1 + ms i n ( 芍+ 争 ( 纠，3 ，5 ，2 肛1 ) ( 3 - 2 3 ) 所以，两相s p w m 波的每一相脉宽可以如下计算 ( 3 - 2 舢 为了使两相s p w m 波对称，载波频率比v 最好选择2 的整数倍。 在实际的工作中，我们都是采用了不对称规则采样法。载波频率和调制度 的大小要根据实际的情况进行调整，一方面要保证电机的工作功率在一定的范围 内，另一方面还要使细分值可以尽量分开。 2 ，柏口甜 r f + + 州口叫 f f = i | 口删 f ， ，、l 第四章两相混台式步进电机正弦波细分线性驱动的实现 第四章两相混合式步进电机正弦波细分线性驱动的实现 在设计中我们先搭建了一套采用正弦波细分的微步驱动器，用它直接输出正 余弦的模拟波形来驱动两相混合式步进电机。实验用步进电机采用了o r i e n t a l m o t o r 的两相混合式步进电机，基本步距角是0 9 。s t e p ，六个接线头分成两 组a 相和b 相。 41 系统的组成与工作原理 系统主要由两个部分组成：根据数字化的s i n 细分值产生正弦波的信号发生 器和线性功率放大部分。 41 1 正弦波信号发生器的工作原理 我们对正弦波在一个周期内进行了1 0 2 4 细分，即对1 2 个周期( 1 8 0 。) 进行了5 1 2 细分，并将得到的细分值以8 位的字节表示出来，做成一个5 1 2 8 的 表。一共要做两个这样的表，一个用来存放s i n 的细分值，另一个用来存放c o s 的细分值，并将它烧进e e p r o m 中去。通过上面的细分我们可以得到电机最小 微步的大小：一个正弦波周期相当于步进电机走了四个基本步距角，因为被分成 了1 0 2 4 等分，那么对于一个基本步距角为1 8 。的两相混合式步进电机来说，每 个微步为