摘要：跟着操控技能以及步进电机(Stepper Motor)的开展，现代工业的许多范畴对步进电机的需求也越来越大。可是传统的步进电机操控体系多以单片机等微处理器为根底，往往具有操控电路体积大、操控功率低、稳定性差等缺陷。运用FPGA操控速度快、牢靠性强等特色，运用等步距细分原理和PWM操控技能，规划出了高灵活性、可人机交互、分辩率高的步进电机操控体系。仿真和试验证明，该操控体系高效牢靠。
0 导言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环操控电机，输入脉冲总数操控步进电机的总旋转视点，电机的速度由每秒输入脉冲数目所决议，因而易完成机械方位的精准操控。并且因为步进电机价格低廉、可控性强等特色，使其在数控机床传送操控等自动操控范畴中得到了广泛的运用。但跟着技能的开展以及企业出产的要求，步进电机传统的以单片机等微处理器为中心单元的操控体系露出出了如下缺陷：操控战略单一不利于完成人机交互，并且操控电路杂乱、操控精度低、出产成本高，体系稳定性不行，步进分辩率低、缺少灵活性，低频时的振动和噪声大，并且受步进电机机械结构和空间的约束，步进电机的步距角不可能无限的小，难以满意高精度开环操控的需求。因为FPGA编程方法简略，开发周期短，牢靠性高，使其在工业操控范畴的运用越来越广泛。本文在总结FPGA的分频技能以及步进电机细分操控原理的根底上，经过PWM操控技能来进步步进电机的分辩率，仿真和试验标明，本文采纳的办法有效地完成步进电机操控的高效、准确操控。
1 步进电机细分操控原理
步进电机的作业原理如图1所示，对四相步进电机而言，依照必定的次序对各相绕组通电即可操控电机的滚动。例如，当开关B与电源导通而其他开关断开时，在磁力线的效果下B相磁极和转子0，3号对齐;当开关C与电源导通而其他开关断开时，在磁力线的效果下，转子滚动，1，4号齿和C相绕组的磁极对齐。同理，顺次向A，B，C，D四相绕组供电，电机就会沿着A，B，C，D方向滚动。
为了了解步进电机的缺乏，还需了解步进电机的步距角。步距角的界说为：
θ步距=360°/(kmzn) (1)
式中：km为步进电机的作业节拍系数;zn为齿数。
受步进电机的拍数和转子齿数的约束，步进电机的步距角不可能十分小，即每一单步操控的滚动量相对比较大，在许多精细操控范畴，步进电机的功用达不到运用要求。因而为了进步步进电机的分辩率，需选用细分操控技能对其进行优化操控。细分操控类似于插值，其基
本原理便是将电机绕组中的电流细分，在两个操控电流之间添加许多中心状况的电流，使得步进电机能够作业在许多中心的状况，然后使得步进电机的每一步得到细分，其步距角更小，体系的分辩得到进步，功能得到优化。而细分操控一般有两种细分方法，一是使电流按线性规则改动来细分，二是按等步距角细分。为了比较两种细分方法的好坏，还需要了解步进电机作业时的静态距角特征。
M=-Mksinθ=-kti2sinθ (2)
式中：M为电磁转矩;Mk为必定绕组电流时的最大静转矩;关于反应式步进电机，当不考虑磁路饱满时，能够以为Mk与电流i的平方成正比，负号表明电磁转矩与定子磁场之间为楞次联系，即电磁转矩总是阻止转子脱离磁场最小磁阻的方位。
现以三相反应式步进电机来剖析两种细分方法。三相反应式步进电机三相绕组别离通电时，其矩角特性为互相相差120°电视点的正弦曲线，如图2所示。
当A、B两相通电时，设电流别离为iA、iB，相应的静转矩为MA、MB，疏忽磁路之间的影响，其组成矩角特性为二者相叠加，如式(3)所示：
由公式(3)和(4)可知，当步进电机的电流依照线性规则改动时，其距特性如图3(a)所示。因为距角特征幅值因通电电流的不同而各不持平，因而各细分步的步距角就不能保持一致。抱负的细分电流波形应使各通电状况下的步距角特性的幅值、形状均持平，如图3(b)所示。
因而电流按线性规则改动的细分方法使得细分后的每一小步的操控精度不持平。而假如按等步距角细分，则细分后的步距角为：
假如在操控电路中严厉依照电流分配系数来操控各个通电状况，则能够确保细分后的每一小步的操控精度持平。因而本文选用按等步距角的细分方法。
2 步进电机细分操控硬件的完成
为了完成步进电机的等步距角细分，本文选用脉冲宽度调制(PWM)的方法来完成。PWM便是对逆变电路开关器材的通断进行操控，使输出端得到一系列幅值持平的脉冲。这些脉冲归纳在一起即可构成等效的正弦波、方波等预期的波形。而等效输出波形的质量与脉冲的步距有关，即同一时间输出的PWM路数越多，则脉冲密度越高，则输出等效波形的质量就越好。而传统的步进电机操控体系多选用单片机作为微处理器，而单片机是单线程的微处理器，同一时间只能履行一条指令，也便是同一时间只能发生一路PWM信号，因而输出波形质量较差，然后导致步进电机的操控精度偏低。而FPGA的运算速度远远高于单片机的运算速度，且经过模块化规划能够使其处于多线程作业形式，即能够一起发生多路PWM信号，进步了输出等效波形的质量。本文中选取Altera公司2004年推出了新款CycloneⅡ系列FPGA器材作为开发渠道，一起输出8路PWM信号，操控完成四相步进电机的16细分。一起运用串口模块与上位机相连以完成人机交互。体系原理图如图4所示。
该操控体系中选用总线操控方法，运用片选信号顺次操控4路PWM锁存器的通断，这样能够简化硬件电路和软件规划。以A相操控为例，当片选A为高电平而其他几路片选为低时，A路PWM锁存器作业而其他几路PWM锁存器休眠。依据公式(8)计算出细分的电流分配系数，从而转化成操控PWM信号的占空比，一起注册几路锁存器，经过锁存器输出驱动步进电机。
3 步进电机细分操控软件的规划
本规划中选用QuartusⅡ软件开发渠道和Verilog规划言语进行操控软件的规划。体系中需要在FPGA内运用线性反应移位寄存器(Linear Feedback Shift Registers)来完成随机数的发生，操控步进电机的随机取样滚动，本体系中最中心的PWM操控模块规划如下：
4 体系测验
体系规划完成后，对整个体系进行测验和查验。PWM操控体系的仿真成果如图5所示，调查仿真输出波形可知操控脉冲输出正确。将程序固化到FPGA硬件中之后，将被控的四相反应式步进电机连接上，并经过串口将FPGA与上位机相连，由上位机输出指令操控步进电机的转速、转向、滚动视点等。
5 结语
验证成果标明，该操控体系完成了步进电机等步距角的16级细分，并经过人机交互完成了恣意改动各相次序的首要技能指标，操控精度高，牢靠性强。
