步进电机驱动电路的设计

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1、基于FPGA的步进电机驱动电路的设计摘要：介绍了步进电机的工作原理，重点讲解了四相步进电机的单四拍和八拍工作方式的通电理论。利用FPGA实现对步进电机的转速进行有效的控制，并与功率放大电路结合实现了步进电机驱动系统的功能。关键字：步进电机；FPGA；功率放大电路前言：一般，电动机都是连续旋转，而步进电动机却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。它有两个工作：其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电动机的转子为多极

2、分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。这里我们研究的是四相电机，下面是对四相步进电机的单四拍通电方式和八拍通电方式的原理介绍。图1单四拍通电方式原理图1.步进电机的工作原理1．单四拍通电方式的基本原理本次应用的步进电机是四相步进电机，在说明它的通电方式原理时，假设转子齿数是4。设A相首

3、先通电（B、C、D三相不通电），产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置（图1a）；接着B相通电（A、C、D三相不通电），转子便顺时针方向转过22.5°,它的齿和B、B′极对齐（图2b）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→D→C→B→A→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。2．八拍通电方式的基本原理设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B

4、、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子顺时针转过了11.25°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐，转子的位置又转过11.25°。这样，如果按A→(A,B)→B→(B,C)→C→(C,D)→D→(D,A)→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角11.25°。电流换接八次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→(A,D)→D→(D,C)→C→(C,B)→B→(B,A)→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电

5、方式称为八拍方式。2．步进电机驱动系统原理步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式必须使用专用的步进电机驱动控制器，正是这个特点步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。如图2所示，它一般有脉冲发生单元，脉冲分配单元，功率驱动单元，保护和反馈单元组成。除功率驱动单元以外，其他部分我们采用FPGA来实现。1．基于FPGA的调速模块采用FPGA实现脉冲发生单元和脉冲分配单元的功能，实际上就是利用VHDL语言编程实现对步进电机的速度控制。步进电机的速度大小由FPGA输出的脉冲频率来决定，频率越高速度越快，相应的频率越低速度就越慢。注意：由于电机的转速受到限制，因此

6、频率不宜太高或者太低。基于FPGA的步进电机的调速模块step_motor的波形仿真图如图3所示，程序见附录。图2步进电机驱动系统框图图3step_motor的波形仿真图图中clk是系统时钟，reset是复位信号，sel是检测信号的输入端；control是输出信号，用于对步进电机进行控制。2．步进电机的功率驱动电路此步进电机的功率驱动电路原理很简单。从step_motor出来的信号按一定的顺序分别接到晶体管功率放大器的基极，输出端有四个相应的信号输出，并接到电机的1、4、3、6脚（注意：电机引出了六根线，只有1、4、3、6才是真正接电机的四相输入，且分别接电机的A、

7、B、C、D相）。设IsoStepA1的输入信号是高电平，则输出就为低电平，相应的电机的A相不导通；反之，则A相导通。以此类推，其余各相亦是如此。图4步进电机的功率驱动电路图结束语：步进电机的应用越来越广泛，对于不同的电机它的驱动系统的设计也有所不同。这里的四相的步进电机的驱动系统是利用FPGA来实现步进电机驱动系统框图中脉冲发生区器和脉冲分配器的功能，再加一个功率驱动电路便完成了整个驱动系统的设计。FPGA代替硬件电路来实现脉冲的发生和分配，使得整个驱动系统的精度和稳定度都大大的提高了，并且使得电机的速度控制更加方便。附录：libraryIEEE;useIEEE