第4期
邹道生,等:EDA技术在步进电机驱动中的应用
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应式步进电机为例,最多只能实现二细分,对于相数较多的步进电机可达到的细分数稍大一些,但也有限.
因此要使可达到的细分数较大,就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流,使其按正弦或阶梯上升或
下降,即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态,相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状
态,这样,相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态.
步进电机步距角细分是通过改变步进电机相电流的方法来实现的幢J.通常采用电流矢量恒幅均匀旋转
的细分方法,即同时改变两相电流如和i8的大小,使电流合成矢量等幅均匀旋转.厶和拓的变化曲线可描述
为厶=f。cos戈,如=f。sin戈,其中,“、如分别为A相和B相电流,f。为相电流的最大值,菇为转动角度.
四相步进电机8细分时的各相电流是以l/4的步距上升或下降的,在两相乃,%中间又插入了7个稳定
的中间状态,原来一步所转过的角度%将由8步完成,实现了步距角的8细分.由此可见,步进电机细分驱动
的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流.
2步进电机细分驱动电路
随着大规模集成电路邢IGA/CPLD制造工艺的提高,数字技术的迅速发展,为步进电机的细分驱动带来
了便利.采用EDA技术进行控制,可根据细分要求的步距角,事先计算出电机各相绕组中通过电流对应的
删值,存储在FPGA的嵌入式ROM中.细分控制时,地址计数器自动产生地址送到LPM.ROM,根据不同的
地址RoM输出相应的数据,输出到数字比较器,与线性锯齿波比较后输出网Ⅲ波形,并加到各相的功放电
路上,控制功放电路给各相绕组通以相应的电流,实现步进电机的细分.
2.1
步距细分的附系统构成
以下先以四相电机为例来说明步进电动机的
删细分原理.图1为四相步进电机的8细分电流波形,从图1中可以看出,一
般情况下总有二相绕组同时通电.一相电流逐渐增大,另一相逐渐减小.对应于
一个步距角,电流可以变化Ⅳ个台阶,也就是电机位置可以细分为Ⅳ个小角度,
这就是电机的一个步距角被Ⅳ细分的工作原理.也可以说,步距角的细分就是电
机绕组电流的细分,从而可驱动步进电机平滑运行.
图2为步进电机细分驱动系统结构图.步距细分电路是由删计数器、
RoM地址计数器、PWM波形RoM存储器、比较器、功放电路所组成.其中,PWM
图1四相步进电机8细分
电流波形
计数器在时钟脉冲作用下递增计数,产生阶梯形上升的周期性的锯齿波,同时加载到四相步进电机各相数
字比较器的一端;波形RoM输出的数据A[3..0]、曰[3..o]、c[3..o]、趴3..0]分别加载到各数字比较器的
另一端.当P删计数器的计数值小于波形RoM输出数值时,比较器输出低电平;当PWM计数器的计数值大
于波形RoM输出数值时,比较器输出高电平.由此可输出周期性的删波形.
根据图l步进电机8细分电流波形的要
求,将各个时刻细分电流波形所对应的数值啸甯时钟
存放于波形ROM中,波形RoM的地址由地
址计数器产生.地址计数器有3个控制端,可
以用于改变步进电机的旋转方向、转动速
趸型
度、工作/停止状态.FPGA产生的P删信号速度捱诵
控制各功率管驱动电路的导通和关断.删
脉宽调制信号随ROM数据而变化,改变
RoM中的数据就可以改变输出信号的占空
比,达到限流及细分控制,最终使电机绕组
呈现阶梯形变化,从而实现了步距细分目
的.输出细分电流信号采用卯GA中ROM查
表法,它是通过在不同地址单元内写入不同
图2步进电机细分驱动结构图
的删数据,用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分.根据细分结构图所设计的FpGA实验电
万方数据