直流无刷电机微步进控制方法及其 fpga

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1、直流无刷电机微步进控制方法及其FPGA第卷第期年月文章编号：1007-791X(2013)02-0170-05燕山大学学报直流无刷电机微步进控制方法及其FPGA实现李江昊1,*，陈卫东1，朱奇光1，李莎莎2,3（1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004；2.华北电力大学经济管理学院，北京102206；3.山西电力公司运城河津供电公司，山西运城043300）摘要：直流无刷电机用作步进电机使用时，受通电方式限制，步进角有限。本文介绍了在2-2通电基础上的电机状态细分方法，用以实现微步进角度。分析了细分原理，建立了用于细分状态数量和位置控制的计算公式，并利用FPGA设计实现了状

2、态细分的控制电路，进行了电机的微步进角测试实验。关键词：———————————————————————————————————————————————无刷电机；微步进；状态细分；现场可编程门阵列中图分类号：TM301.2文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2013.02.015引言直流无刷电机是利用电子换相技术来代替传统电刷换向的一种新型直流电机，通常用作同步电机使用，利用霍尔传感器或反电动势技术进行转子位置的检测，从而进行相序和转速的控制。直流无刷电机也可作为步进电机使用，步进角由绕组相数和磁极对数决定。无刷电机以三相绕组居多，增加磁极对数可以减小

3、步进角度，但这需要改变电机硬件结构并增加了成本[1]。本文以电机的常规控制为基础，采用状态细分法增加电机步进运行时的状态数，不用改变电机硬件结构，利用现场可编程门阵列（简称FPGA）中的软件程序控制实现直流无刷电机的微步进。而现有文献中，各种细分控制技术大多应用于步进电机中，所用控制器也以DSP为主[2-4]。如张小杭设计了一种基于DSP的两相混合式步进电机数字控制系统，提出了步进电机细分控制和步进电机转矩矢量控制两种电机控制策略[4]。另外有一定数量的细分控制用于消除转矩脉动。如马庆强通过细分绕组换相时刻电流使通电绕组在空间合成多个转矩矢量，控制电流大小维持转矩幅——————————

4、—————————————————————————————————————值基本恒定，减小了转矩脉动[5]。李敏等依据永磁同步电机直接转矩控制理论，采用矢量细分的控制策略和收稿日期：究计划重点研究基础项目（作者简介：李江昊（）SVPWM调制方法对磁炼扇区进行了细分，利用MATLAB软件进行了仿真[6]。周俊借鉴步进电机的微步控制思想，通过控制绕组电流的办法合成转矩矢量，增加开关磁阻电机的每转步数，减小了转矩脉动，并利用DSP进行了硬件设计[7]。雷淑英等提出了一种基于瞬时电流控制的抑制开关磁阻电机转矩脉动的微步控制策略，采用转矩矢量控制策略抑制转矩脉动[8]。国外方面，Pisano等利

5、用基于二阶滑模技术的串级控制方法，实现了对直流电机的速度和位置控制，能够保证控制的精度和鲁棒性[9]。Patel等利用比特流的方法控制直流无刷电机，利用简单的数字逻辑实现各种控制动作，并利用FPGA进行了实现[10]。微步进控制方法三相电机的通电运行状态三相直流无刷电机作为步进电机使用时，通常2-2通电和2-3有3种控制方法，分别是3-3通电、通电。对于2-2———————————————————————————————————————————————通电一个运行周期包含6个状态，3-3通电也有6个状态，每个状态只导通2相绕组；2-3通电状态为前两种的组合，导通全部3相绕组；共12个，

6、如图1所示。其中、和分别代表三相绕组，下标表示电流流入该绕组，而则表示）；河北省科学技术研究与发展计划应用基础研：。基金项目：河北省自然科学基金资助项目（），男，河北唐山人，博士，讲师，主要研究方向为移动机器人及其控制技术，第期李江昊等直流无刷电机微步进控制方法及其实现流出。———————————————————————————————————————————————电机绕组的导通和电流方向受马达驱动器（通常为集成电路）控制，而驱动器又受微控制器（MCU）控制。通过MCU发出一系列数字信号组合，就可控制电机按图1所示的状态顺序进行顺（或逆）时针循环切换，实现步进运行。图电机通电状态及转

7、矩矢量图Fig.1Statesequenceandtorquevectorofmotorphasesconduct受电机绕组数量限制，即便采用通电状态数最多的2-3通电方式，电机的步进角度也只有360°/12=30°电气角（注：如无特别说明，后续内容中的角度均指电气角）。而采用2-2或3-3通电方式，步进角还要增加一倍，为60°。要突破电机硬件限制，减小步进角度实现微步进就需要进行状态细分。状态细分原理状态细分就是在电机固有通电状态基础上增加出