步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計

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1、基于FPGA的步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計摘要：介紹了步進電機的工作原理，重點講解了四相步進電機的單四拍和八拍工作方式的通電理論。利用FPGA實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速進行有效的控制，并與功率放大電路結(jié)合實現(xiàn)了步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的功能。關(guān)鍵字：步進電機；FPGA；功率放大電路前言：一般，電動機都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動機卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故叫步進電動機。每輸入一個脈沖信號，該電動機就轉(zhuǎn)過一定的角度（有的步進電動機可以直接輸出線位移，稱為直線電動機）。因此步進電動機是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。它有兩個工作：其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電動機的轉(zhuǎn)子為多極

2、分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉(zhuǎn)子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進電動機的應(yīng)用將逐漸擴大。步進電動機的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式和激勵式兩種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。這里我們研究的是四相電機，下面是對四相步進電機的單四拍通電方式和八拍通電方式的原理介紹。圖1單四拍通電方式原理圖1.步進電機的工作原理1．單四拍通電方式的基本原理本次應(yīng)用的步進電機是四相步進電機，在說明它的通電方式原理時，假設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)是4。設(shè)A相首

3、先通電（B、C、D三相不通電），產(chǎn)生A-A′軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時A、A′極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對齊A、A′極的位置（圖1a）；接著B相通電（A、C、D三相不通電），轉(zhuǎn)子便順時針方向轉(zhuǎn)過22.5°,它的齒和B、B′極對齊（圖2b）。不難理解，當脈沖信號一個一個發(fā)來時，如果按A→D→C→B→A→…的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子便逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為單三拍方式。2．八拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A′對齊。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時定子B

4、、B′極對轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過了11.25°。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B′極對齊，轉(zhuǎn)子的位置又轉(zhuǎn)過11.25°。這樣，如果按A→(A,B)→B→(B,C)→C→(C,D)→D→(D,A)→A…的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角11.25°。電流換接八次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按A→(A,D)→D→(D,C)→C→(C,B)→B→(B,A)→A…的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電

5、方式稱為八拍方式。2．步進電機驅(qū)動系統(tǒng)原理步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式必須使用專用的步進電機驅(qū)動控制器，正是這個特點步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。如圖2所示，它一般有脈沖發(fā)生單元，脈沖分配單元，功率驅(qū)動單元，保護和反饋單元組成。除功率驅(qū)動單元以外，其他部分我們采用FPGA來實現(xiàn)。1．基于FPGA的調(diào)速模塊采用FPGA實現(xiàn)脈沖發(fā)生單元和脈沖分配單元的功能，實際上就是利用VHDL語言編程實現(xiàn)對步進電機的速度控制。步進電機的速度大小由FPGA輸出的脈沖頻率來決定，頻率越高速度越快，相應(yīng)的頻率越低速度就越慢。注意：由于電機的轉(zhuǎn)速受到限制，因此

6、頻率不宜太高或者太低?；贔PGA的步進電機的調(diào)速模塊step_motor的波形仿真圖如圖3所示，程序見附錄。圖2步進電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖圖3step_motor的波形仿真圖圖中clk是系統(tǒng)時鐘，reset是復(fù)位信號，sel是檢測信號的輸入端；control是輸出信號，用于對步進電機進行控制。2．步進電機的功率驅(qū)動電路此步進電機的功率驅(qū)動電路原理很簡單。從step_motor出來的信號按一定的順序分別接到晶體管功率放大器的基極，輸出端有四個相應(yīng)的信號輸出，并接到電機的1、4、3、6腳（注意：電機引出了六根線，只有1、4、3、6才是真正接電機的四相輸入，且分別接電機的A、

7、B、C、D相）。設(shè)IsoStepA1的輸入信號是高電平，則輸出就為低電平，相應(yīng)的電機的A相不導(dǎo)通；反之，則A相導(dǎo)通。以此類推，其余各相亦是如此。圖4步進電機的功率驅(qū)動電路圖結(jié)束語：步進電機的應(yīng)用越來越廣泛，對于不同的電機它的驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計也有所不同。這里的四相的步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)是利用FPGA來實現(xiàn)步進電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖中脈沖發(fā)生區(qū)器和脈沖分配器的功能，再加一個功率驅(qū)動電路便完成了整個驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。FPGA代替硬件電路來實現(xiàn)脈沖的發(fā)生和分配，使得整個驅(qū)動系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度都大大的提高了，并且使得電機的速度控制更加方便。附錄：libraryIEEE;useIEEE