（农业机械化工程专业论文）步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究.pdf

摘要 一协进电机又称脉冲电机由于不需要位置传感器或速度传感器可以在开环状 态定位或同步运行，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因而在众多的领 域得到广泛的应用。随着电子技术、控制技术和新磁材料的发展和步进电机理 论和工艺的日臻完善，步进电机的应用技术也越来越成熟。 细分驱动技术是一种有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技 术。广泛应用于对工况要求较高的场合，尤其在一些要求高精度q 低噪音、低 振动的数控应用中，细分驱动成为步进电机驱动的首选驱动技术本文以三相 反应式步进电机为实例，对细分驱动原理、细分驱动的非线性、变细分调速以 及相关影响因素进行系统的研究：实现细分驱动器、调速控制、定位控制和软 硬接口的设计。在此基础上，本文对细分驱动环形分配器的设计和微步距测量 修正进行了创新：提出将p l d 器件和i s p 技术引入到细分驱动环形分配器的设 计思想和错位测量和逼近修正法。 f 采用p l d 器件和i s p 技术开发步进电机细分驱动系统的数字环形分配器， 通过、a b e l h d l 语言编程实现硬件软化设计和逻辑重构；可对细分驱动绕组 电流在系统重复修正，避免了存储器的反复拔插。 错位测量与逼近修正方法结合细分驱动的有限级离散化电流控制方式，将 测量与修正有效融合的一种专用性很强的面向步进电机细分驱动的新方法，以 低分辨率圆光栅替代高分辨率圆光栅，大大降低测量硬件成本。 实现多重细分和变细分调速，提高了细分驱动的灵活性和可选择性；根据 整步位移无控制误差，将点位行程拆分为整步位移部分和满足定位精度的微步 距位移部分，分别以不同的细分数运行同时满足点位控制的速度与精度要求。 从步进频率和阶梯波频率两个方面对细分驱动系统的调速域值进行了分 析，得出调速域值受两方面综合影响，而且最终结果取两者中域值范围较小者v 关键词：步进电机细分驱动微步距的测量与修正p l d 器件i s p 技术 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得i 目i 盔兰兰至 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：亍巧；扬 签字日期：，。2 年5 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解朗e 盏兰圭i 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权臼垒生玉i 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：亍 百i 扫 导师签名：翻， 签字日期：加功年g 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期谤成年占月7 日 电话： 邮编： 0i*#rii、，j， ；l，ri，l，； 。，r ；慧 辽 中 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 1 引言“ 步进电机( s t e pm o t o r ) 又称脉冲电机或阶跃电机，是一种根据输入的电脉 冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度( 或长度) ，若不改变励磁状态则 保持一定位置而静止的电机。在庞大的电动机家族中，尽管步进电机仅仅是一 个很小的机种，但它占有不可替代的位置。因为具有很多不可替代的特点：( 1 ) 具 有一定的开环控制精度，系统简单廉价，步距误差不长期积累。( 2 ) 无刷，电机 本体部件少，可靠性高。( 3 ) 易于启动、停止、正反转及变速、响应性也好，停 止时可自锁。( 4 ) 步距角选择范围大，同时用一台控制器控制几台步进电机可使 它们完全同步。( 5 ) 与计算机接口方便。基于以上性能优点，步进电机较早成为 了典型的机电一体化元件组件。随着电子技术、控制技术以及电机本体的发展 和变化，步进电机在众多领域获得更广泛的应用。 步进电机按结构特点可分为：反应式步进电机( v a r i a b l e r e l u c t a n c e ) 、 永磁式步进电机( p e r m a n e n tm a g n e t ) 、混合式步进电机( h y b r i d ) 。反应式步 进电机的工作原理与磁阻式同步电动机一样，也是利用凸极转子横轴磁阻与直 轴磁阻之差所引起的磁阻转距而转动的。永磁式步进电机的工作原理是转子上 的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转距。 混合式步进电机既有磁阻式步进电机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定 磁场的永磁式步进电机的特征，兼具两类步进电机的特点。 自本世纪中叶，步进电机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其在n c ( 数控) 机械中广泛利用起开环控制的特点。近十几年来，步进电机在o a 机 器( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 、f a 机器( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 、计算机外部设备 和工业计测仪器等领域作为控制用电机和驱动用电机而被广泛使用。如打印机、 绘图仪、传真机、记录仪、数控机床、机器人等随着步进电机的应用越来越 广泛。对步进电机的要求也越来越严格，既要外形轻、薄、短、小，又要有高 效率、低振动、低噪音、低价格。 1 1 步进电机细分驱动技术m ” 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电 动机驱动器步进电机驱动系统的性能，除与电机自身的性能有关外，也在很 大程度上取决于驱动器的性能。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是与对 步进电机的研究同步进行的。 河北农业大学硕士论文 目前，步进电机常用的驱动方式有单电压驱动( 包括单电压串电阻驱动) 、 双电压驱动( 包括高低压驱动) 、斩波恒流驱动、升频升压驱动、桥式驱动( 专 用于永磁步进电动机和混合式步进电动机) 和细分驱动。 1 1 1 步进电机细分驱动必要性”2 1 0 随着步进电机在数控机械、0 a 机器中的应用，对小步距、低振动和低噪声 的步进电机要求愈来愈迫切。 步距角是指每给一个电脉冲信号步进电机转子所转过的机械角度。步距角 公式： o h = = ( 1 1 ) m l z r 式中z 一转子齿数； m 一运行拍数，通常等于定子相数或相数的整数倍。 由式( 1 1 ) 看出，步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定，由于受制造 工艺的限制，转子齿数和定子相数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大。 振动是一种不用听觉来判断的频率范围很广的运动现象，而噪声则是种 不希望有的不同频率和不同强度无规律的组合在一起的声音，听觉可以感受到， 它不但影响人们的生活和工作，还使物理装置和设备疲劳或失效。或干扰其他 信号的感觉和鉴别。步进电机在低频运行时振动严重，而且有较大噪音。步进 电机运行的特殊机理，其振动和噪声比其他类型的微电机都高。此缺点使步进 电机一般只能应用在一些要求较低的场合。在要求较高的场合只能采用f l j 环 控制，增加了系统的复杂性。更重要的是，这些缺点严重限制了步进电机作为 优良的开环控制组件的更有效利用。 细分驱动技术在一定程度上有效克服了步进电机的以上两个缺点。 1 1 2 步进电机细分驱动的研究现状 步进电机细分驱动技术是7 0 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进 电机综合使用性能的驱动控制技术。1 9 7 5 年美国学者t r f r e d r i k s e n 首次在 美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。 在其后的= 十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中 得到了广泛的应用实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步 距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。 2 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 国内外研究步进电机细分驱动的文献很多”。，分别对细分数、均匀步距、 恒转距、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究a 总结分析这些研究的特点 如下： ( 1 ) 细分电压波形的产生普遍采用可逆循环计数器一e p r o m 存储器一d a 转 换器结构，结合驱动线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输 出状态表，以二进制码的形式依次存入e p r o m 存储器中，在线路中只要按照地 址的正向或着反向顺序依次取出地址的内容，经过d a 转换器输出所需的控制 波形此模式实际上是一种软硬件结合的技术，通过对e p r o m 存储器的软件编 程即可实现不同细分波形的输出。 ( 2 ) 由于步进电机的电机绕组电流与电机转子转角之间的非线性关系，而且 这种关系复杂，很难找到一种统一而简便的函数表达式，只能采用近似的方法。 获得近似均匀步距的细分波形的常用方法有以下三种：数值插值法、近似波形 法、曲线拟合法。然后经过进一步实验修正，最终达到近似均匀步距。 ( 3 ) 专用性是步进电动机细分驱动的又一特点，各研究单位基于不同的目标 和机型开发不同的细分驱动电路，一般都具有较强专用性，基于功率、微步距 指标、噪音指标等参数不同要求驱动电路不能“兼容”。一旦应用指标、电机型 号改变，驱动系统必须重新设计。 通过以上分析，步进电机细分驱动理论已趋于成熟，但目前细分驱动器的 开发仍有以下不足： ( 1 ) 需要器件较多，足够容量的e p r o m 存储器的数量由电机的定子绕组相 数决定，相数越多需要的存储器个数越多。计数长度相当的可逆循环计数器需 要多片基本计数单元和相关逻辑芯片级联才能实现。如果要实现变细分控制需 要器件就更多。e p r o m 存储器的容量更大。因此系统占用空间较大。不符合步 进电机系统的轻、薄、短小的发展趋势，而且抗干扰能力差。 ( 2 ) 对励磁状态转换表的修正是相当繁琐的过程，需要对修改后的状态表 程序重新编译，将三路e p r o m 存储器全部拔下、擦除、烧录、安装，调试。而 且，在开发的过程中，需要如此反复修正，工作景相当大、相当繁琐。 ( 3 ) 该环形分配器一旦做成电路板修改困难，需重新布线、制板。 1 2 步进电机细分驱动微步距测量与修正技术 1 2 i 步进电机测试技术 步进电动机测试技术的发展是与步进电动机的发展密切相关的。步进电动 - 3 河北农业大学硕士论文 机测试技术从无到有，逐渐丰富提高，从7 0 年代后期到8 0 年代中期，基本形 成步进电动机测试这项新的综合技术。它以电子、电机、控i i i 测量等技术为 基础，在实际应用中体现为测试仪器的自动化和专用性。随着微型计算机的普 及和应用，许多步进电动机测试仪器都采用了微处理器，构成了专用的微机测 试系统，在不同程度上成为自动化、智能化测试仪器，现在已形成步进电动机 测试系列产品及步进电动机测试台。前者是为了提高仪器的单项性能指标及使 用的专用性、灵活性；后者是为了增加测试仪器的通用性，增加测试项目，减 少劳动强度。先有的测试设备已基本满足要求，但国内系列化产品还有待开发 和完善。另外，一些专门测试项目的仪器还要随着对步进电动机的研究不断开 发。 步进电动机测试技术对加深步进电动机理论和应用技术的研究、优化产品 设计、保证产品质量有重要意义。其中步距精度的测量是步进电动机的最主要 基本测试项目之一。步距精度的测量实质上是精密角度测量。 i 2 2 步进电机细分驱动微步距测量与修正技术现状“6 ”“ 为了提高步进电机的分辨率及旋转的均匀性，细分驱动系统的的微小步距 角的测量变得相当重要。由于微步距角很小，对它的测量变得相当困难，相关 研究的报道很少，主要以下面几种测量装置应用比较常用。 ( 1 ) 采用光学分度头测步距精度装置如图1 1 所示，该方法测试精度较高， 但操作复杂，装夹困难。 精号电机电源l 图卜1 光学分度头测步距精度装置 ( 2 ) 采用旋转变压器作为角位移传感器，其装置图与方法( 1 ) 相近，但数据采 集处理系统复杂需要移相网络、零位补偿网络、鉴相器等处理单元。 ( 3 ) 采用圆光栅( 光学增量编码器) 作为角位移传感器，其装置如图卜2 睦垫兰卜- 叱塑鲥蔼持也塑壁j _ 咄塑十划 图卜2 采用圆光栅测微步距装置所示。 步进电机单步运行，计数器记录圆光栅发出的脉冲数，并送到计算机。通过脉 - 4 - 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 冲数判断步距角的大小，此法要求圆光栅的分辨率是步进电动机分辨率的5 一 1 0 倍。 ( 4 ) 采用直流测速发电机作为间接角位移传感器，它通过测量单步瞬时角速 度的响应( 。- t ) 特性，然后对其求积分得到角位移的单步响应( 0 一t ) 曲线， 得到步距角的值。 通过以上阐述，可以看出以上几种方法都有一个共同的特点：测量与修正 是两个独立的过程，因此这些测量系统在测量角位移方面具有通用性。在获得 全部微步距角值以后，分别与微步距角的理论值进行对比，然后根据误差情况 调整励磁电流值，然后再测量再调整直到达到精度要求。因此这些方法的设计 时仅以普通的高精度的角位移测量作为目标，没有充分考虑步进电动机及其细 分驱动系统的机理和特点，因此对角位移传感器的测量精度要求较高，尤其在 超高细分数驱动时对传感器分辨率的要求苛刻到制造成本过高，甚至难以制造。 另外，以上四种测量方法虽各有各的特点，但其综合成本( 包括测量装置 硬件成本、操作复杂程度、装夹难以程度) 普遍较高。方法( 3 ) 虽然测量系统 简单方便，但超高分辨率的圆光栅的价格高昂，这使很多研发和应用步进电动 机细分驱动的单位在微步距检测和修正方面望而却步，只能通过听噪音大小， 看绕组电流波形的方式，感觉振动的大小等方式对表面可感知量进行粗略估计， 开发者的经验起了比较大的作用，测量与修正误差较大，给开发和生产带来不 便 1 3 本课题的研究内容和技术路线 ( 1 ) 以三相反应式步进电机为实例，对细分驱动原理、细分驱动的非线性、 变细分调速以及相关影响因素进行系统的分析和阐述。以提高细分精度和降低 噪音为综合指标，实现细分驱动器、调速控制、定位控制和软硬接口等方面的 研究和设计。 ( 2 ) 将可编程逻辑器件( p l d ) 和在系统可编程技术( i s p ) 引入到步进电动 机细分驱动系统的开发和设计中采用单片p l d 器件替代以往的计数器和存储 器组合结构，提高系统的集成度和可靠性；在系统可编程技术可有效提高开发 的灵活性，缩短开发周期，减小开发工作量。 ( 3 ) 以降低测量修正的综合成本( 测量装置硬件成本、操作复杂程度、装夹 难以程度) 为研究方向，充分利用步进电机细分驱动的特点，将测量与修正相 结合尝试采用低分辨率圆光栅对高分辨率的微步距进行测量修正。 河北农业大学硕士论文 2 步进电机细分驱动器的设计 2 1 步进电机细分驱动的基本原理“_ “1 步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进 电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。图2 - 1 是三相反应式步进 电机的磁场矢量图。图中的矢量t 一，t b ，t c 为步进电机a ，b ，c 三相励磁绕组轮流 通电时产生的磁场矢量，t n ，t b c ，t c 一为步进电机中a b ，b c ，c a 两相同时通电时产 生的合成磁场矢量。一般情况下，当步进电机的内部磁场变化一周( 3 6 0 度) 时， 电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角0a 可表示为： 8 产et n r0 2 心 其中：舷步进电机的转子齿数； 口- 为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。 i b c 图2 - 1 三相反应式步进电机磁场矢量图 口- 与步进电机的相数( m ) 和电机的运行拍数有关。例如，电机以单三拍方 式运行，0 f 1 2 0 。 电机以三相六拍方式运行，0 产6 0 。，和单三拍方式相比， 0 ，和0 。都减小了一倍，实现了步距角的二细分。但是在通常的步进电机驱动 线路中，由于通过各项绕组的电流是个开关量，只能通过各相的通电组合来减小 0 ，和0 “这样可达到的细分数很有限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状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态， 6 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 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。图2 2 给出了三相步进电机八细分时的各相绕组电流状态。由于各相电流是以四分之 一的步距上升或下降的，在t a ，t b 中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一 步所转过的角度口。将由八步完成，实现了步距角的八细分。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。 图2 - 2 三相反应式步进电机八细分时各相绕组电流状态图 2 2 反应式步进电机细分驱动器的构成 步进电机细分驱动器的主要构成如图2 - 3 所示，由数字环形分配器、d a 转换、恒流斩波电路、推动级、驱动级等各部分组成，另外如果需要可以增加一 个控制器来处理步进电机系统的事件流程。 图2 3 步进电机细分驱动器的构成图 环形分配器用来接收来自控制器或独立脉冲发生器的c p 脉冲和方式信号， 并按步进电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一 个c p 脉冲，环形分配器的输出转换一次因此，步进电机转速的高低、升速或 降速、启动或停止都可以通过控制c p 脉冲的频率来实现。同时，环形分配器还 必须接受控制器的方向信号，从而决定环形分配器输出的状态是按正序还是反 序即步进电机的正、反转。 - 河北农业大学硕士论文 从环形分箭器输出的各相数字信号送入d a 转换器。转换后的模拟电压信 号作为恒流斩波电路的参考电压。恒流斩波电路调制出相应的脉宽信号输出给 推动级。 推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大 信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。 驱动级直接与步进电机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控制电 机各相绕组的导通与截止，同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。 2 3 步进电机细分数字环形分配器的设计思想 2 3 i 细分驱动电机绕组的电流波形 在前面我门已经讨论和确定了细分方法，步进电机的细分是通过改变相绕 组中的电流，使得电机内部的合成磁链向量为一微步旋转向量。那么，步进电 动机的转子就在此旋转向量的作用下做细分运动。其三相绕组中的电流变化模 式可用图2 4 所示： l a f 。 1 z 。 b k c f 。 t t t 2t ，t 4t 5t 6 t 图2 4 三相绕组中的电流变化模式图 阶梯波a 代表a 相绕组中的电流变化情况，阶梯波b 和c 分别代表b 相 绕组和c 相绕组中电流变化情况。按如图所示的t o 到t 6 的不同时间间隔分析 会更加清楚明晰。从t 0 到t l ，三相绕组中c 相电流为零，a 相电流保持不变， b 相绕组中的电流由零阶梯增加到额定电流，这样使得电机气隙中的磁场方向 ( 合成磁链矢量) 由a 相定子绕组的中心线方向开始，向b 相定子绕组的中心 线方向转动。由于各个绕组的结构及参数具有一致性，则在t 点合成磁链位 - 8 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 于a 相定子绕组和b 相定子绕组的轴线夹角的角平分线上。由于三相步进电动 机各相绕组在空间上相差1 2 0 。x 2 n 3 ) ，因此从t o 到t 1 合成磁链矢量在空 间上旋转过6 0 。( 3 ) 。从t l 到t 2 ，c 相电流为零，b 相绕组中的励磁电流 保持不变，而a 相定子绕组的励磁电流阶梯下降至零。如同t o 到t l 磁场矢量 分析，电机中气隙的合成磁场向量将逐渐从a 相与b 相定子绕组的角平分线上 旋转到b 相定子绕组的中心线上。从t 2 到t 3 点，a 相绕组中的励磁电流为零 保持不变，b 相绕组中的励磁电流为额定值恒定不变。c 相绕组中的励磁电流 由零阶梯增加到额定值。其合成磁场向量沿b 相到c 相空间方向旋转6 0 。， 从t 3 到t 4 ，磁场向量沿相同方向又旋转6 0 。，其方向与c 相定子绕组的中心 线方向相同。从t 4 到t j 再到t 6 。其磁场向量也同理旋转1 2 0 。到达a 相定子 绕组的中心线上。以后的控制又从t o 点开始到达t 6 ，如此往复。 2 3 2 相励磁电流作为受控电流源实现细分控制 电压控制电流源的模型如图2 - 5 所示，图中控制端( 输入) 为加在a , b 两端 的电压，受控端( 输出) 为c ，d 两端间的电流，当输入电压为v 时，输出的电 流： i=kv( 2 1 ) 式中：k 为控制系数 当k 为常数时，输出电流随输入电压v 线性变化。 a b + c d 图2 - 5 电压控制的电流源 我们可以用晶体管的电流放大特性来实现电压控制的电流源，但在实际驱 动中由于晶体管工作在放大状态，使得管子上的功耗较大，发热严重，容易引 起晶体管的温漂，一般只应用驱动小功率的步进电机。此处我们采用m o s 场 效应管作为开关功率管，通过斩波实现电压控制的电流源，其详细情况见斩波 驱动一节。 2 3 3 阶梯控制电压信号的产生 把阶梯控制电压转换成数字代码，按励磁状态顺序存放在具有存储功能的 9 - 塑! ! 窒些查堂堡主堡壅 e p r o m 中。e p r o m 中的位数决定从零电压到满电压的线性阶梯数，如果 e p r o m 选用8 位则零电压的控制代码为0 0 h ，那么满电压的控制代码为f f h 。 如果用一个b i t 代表一个输入控制电压阶梯，那么控制电压的阶梯数为2 5 5 个。 根据三相绕组控制电压信号的相位关系，三相控制电压信号的代码如表2 一l 所 示： 表2 1 三相控制代码空间分布表 地址 0 0 0 0 h 0 0 0 1 h 0 0 0 2 h o o f f h 0 1 0 0 h 0 1 0 1 h 0 l f f h 0 2 0 0 h 0 2 0 1 h 0 2 f f h 0 3 0 0 h 0 3 0 1 h 0 3 f f h 0 4 0 0 h 0 4 0 1 h 0 4 f f h 0 5 0 0 h 0 5 0 l h a 相代码 f f h f f h f f h f f h f e h f d h 0 0 h 0 0 h 0 0 h o o h 0 0 h 0 0 h - 0 0 h 0 1 h 0 2 h f f h f f h f f h 1 0 b 相代码 o o h 0 1 h 0 2 h f f h f f h f f h f f h f f h f f h f f h f e h f d h _ o o h 0 0 h o o h 0 0 h 0 0 h o o h c 相代码 0 0 h 0 0 h 0 0 h o o h 0 0 h 0 0 h o o h 0 1 h 0 h f f h f f h f f h f f h f f h f f h f f h f e h f d h 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 0 5 f e h 0 5 f f h f f h f f h _ 0 0 h 0 0 h 0 0 h 0 0 h 把存有控制代码的e p r o m 的八根数据线接到8 位d a 转换器，这样控制器代 码就转换成了控制电压信号。阶梯电压波形的产生。通过一个计数值在0 5 f f h 上的计数器进行循环扫描寻址e p r o m ，e p r o m 数据线输出到d a 转换器变为 电压阶梯波。 2 3 4 三相反应式步进电机细分环形分配器的设计思想 三相反应式步进电机细分系统环形分配器的框图如图2 - 6 所示，传统方法 实现以上设计需要用三片e p r o m 存储器，可逆循环计数器需要多片计数芯片 级联而成。经济性好。但是此方法布线复杂，占用空间大，抗干扰能力差。本 设计采用单片p l d 器件将以上计数扫描寻址和存储功能集成在一起，通过软件 方法实现硬件功能，而且为多重细分、方式设定等各种功能的实现提供了方便。 图2 - 6 三相反应式步进电机细分系统环形分配器的框图 2 4 基于p l d 器件和is p 技术的数字细分环分器的实现 2 4 1 p l d 器件简介” 随着半导体技术和e i ) a 技术的发展，传统的系统设计有了飞跃性进步。在 河北农业大学硕士论文 半导体技术方面。可编程技术被广泛应用到器件设计上，给数字系统设计带来 很大的灵活性。现在构成数字系统仅需要三类“积木块”，即微处理器、存储器 和可编程逻辑器件。在电子系统中，以前尽管采用了微处理器和存储器，但仍 然需要大量的中小规模的数字集成电路来进行各种逻辑控制，直至最近十年， 随着可编程逻辑器件的出现，才给逻辑控制提供了可编程的现实性和灵活性。 由于器件可以进行编程，则硬件的设计便可以像设计软件那样方便。现在已有 越来越多的设计者采用可编程逻辑器件实现逻辑控制，即用所谓“c p u + r a m + c p l d ( f p g a ) ”的模式进行系统设计。 l 、p l d 器件的特点 p l d 器件是7 0 年代初发展起来的新型数字器件，其主要特点是：( 1 ) 逻辑 功能以编程实现。p l d 器件的出现改变了传统设计数字系统的方法，配合相应 的开发软件，数字系统的设计变得更加简单，将大部分的硬件设计转化为软件 设计，实现了“硬件软化”。( 2 ) 器件规模越来越大。p l d 器件已进入大规模或 超大规模集成电路( l s i v l s i ) 时代，一片p l d 器件就可以构成一个数字系统， 符合仪器或电子产品小型化、系统芯片化的趋势。( 3 ) p l d 器件的开发首先通 过软件编程，然后将测试过的功能逻辑烧录到p l d 器件内部。实现硬件编程， 因此其工作速度很高。 2 、i s p 技术 i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 技术，即“在系统可编程技术”，是2 0 世 纪9 0 年代由美国l a t t i c e 公司首先提出的器件编程技术，它使得我们能够在产 品设计、制造过程的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其器件、 电路板或整个电子系统进行逻辑重构和修改逻辑功能的能力。i s p 技术实质上 是一种串行编程技术，它使得可编程逻辑器件可以完全摆脱编程器，只需一根 简单的编程电缆和一台p c 就可以完成器件的编程，彻底解决了可编程器件的编 程问题。i s p 编程接口非常简单，共有五根信号线：模式控制输入m o d e 、串行 数据输入s d i 、串行数据输出s d o 、串行时钟输入s c l k 和在系统编程使能输入 ： i s p e n ，器编程接口如图2 - 7 所示。应用i s p 技术大大缩短产品开发上市时间， i s p e n s c l k m o d e s d i s d o 图2 7i s p l s i 器件编程接口 - 1 2 - 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 根据l a t t i c e 公司的调查数据，i s p 技术使p l d 产品上市时间减少5 0 2 48 0 。 i s p 技术是下一代可编程器件的首选编程手段，各制造商纷纷推出了支持i s p 技术的p l d 器件。 3 、p l d 器件的开发系统 在p l d 器件的发展过程中，与之相配合的开发软件也得到了很大的发展。开 发软件有些是p l d 厂商配合p l d 器件推出，比较典型的有l a t t i c e 公司的i s p s y n a r i os y s t e m 及i s p e x p e r ts y s t e m ；a i t e r a 公司的 i | a x + p l u s 开发系统； x i l i n x 公司的x i l i n xa u t o m a t i cc a et o o l s 系统等。另一些则是介于用户和 p l d 厂商的第三方推出，比较典型的有：d a t a i o 公司的a b e l ，l o g i c a ld e v i c e 公司的c u p l 。m i n c 公司的p l d e s i g n e r ，o r c a d 公司的o r c a dp l d 。以上系统大都 有强大的逻辑仿真和时延仿真功能，设计者不必通过下栽到器件，就可以在计 算机上对芯片的逻辑功能和定时关系进行仿真并对整个系统的设计进行性能估 计。 4 、用p l d 器件实现数字系统的流程( 如图2 - 8 所示) 算法设计和电路划分 设计输入 原理图输入 描述语言文本输入 编译化简 三三三三e 三三三 设计实现 合并，映射 布局，布线 卜 - - - - - - - 一 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 目标文件下载( 配置) i = 二= 2 图2 - 8p l d 器件实现数字系统的流程 2 4 2 环形分配器实现方案比较 方法1 采用标准逻辑器件如t t l 7 4 系列、c m o s 4 0 0 0 系列器件搭成。此法 为早期采用，缺点明显：需用器件多、线路复杂、功耗大、可靠性低而且难以实 现复杂励磁方式。 方法2 ：用计数器配合e p r o m 存储器实现其基本思想：首先结合驱动器线 路按步进电动机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表( 输出状态 表与状态转换表相对应) ，以二进制码的形式依次存入e p r o m 存储器中，只要按 - 1 3 - 河北农业大学硕士论文 照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则e p r o m 存储器的输出端即依 次表示各励磁状态。其中可逆循环计数寻址部分可由计数器及其附加电路实现， 也可集成在微处理器中用软件完成。此法线路比较简单、一种线路可实现多种 励磁方式、与控制器接口方便、速度快，但当励磁方式复杂、计数长度长、所 需输出线多时，需要器件较多，线路仍较复杂。 方法3 ：用软件实现环形分配器。环形分配器的功能集成在微处理器中，用 微处理器的输出口直接控制步进电动机各相的励磁状态。其逻辑功能全靠软件 完成，在内存r o 中留出一定区域存储环形分配器的输出状态表，软件按照电 动机正反转的要求依次将状态表的内容取出送之相应的输出口。此法用软件替 代硬件，成本低，设计、修改灵活；但需要占用较多系统资源，速度较慢，当 需要较多输出线时需扩展输出口。 以上方法各有优劣，当然也可选用集成化的环形分配器模块，集成度高、 可靠性好，但产品种类甚少货源不足，属全定制a s i c 产品，灵活性较差。通过 对以上方法分析对比，结合p l d 器件的特点和可逆循环计数寻址e p r o m 存储器 思想提出了用p l d 器件实现环形分配器的新方法。采用软件编程实现硬件级单 芯片环形分配器，在实现单电机多驱动方式集成、多电机多驱动方式集成和细 分驱动等复杂功能方面，其他方法是无法比拟的。采用p l d 器件甚至可以实现 将系统内多台电机的多个环形分配器集成在同一芯片上，因此兼具专用模块的 集成度( 甚至更高) 、可靠性和方法2 、3 的灵活性，而且i 0 口资源丰富，无 需扩展。 2 4 3 用p l d 器件实现多功能环形分配器 1 、开发系统、器件及输入方式的选择 p l b 器件的开发依赖于开发系统，不同的开发系统支持不同的编程输入。采 用任何开系统和任意编程输入方式都能实现循环计数器，但效果不同。原理图输 入在描述连接和接口关系方面有其他方法无可比拟的优势；v h d l 或v e r i l o g h d l 是类似于c 语言的行为描述语言，描述复杂设计简洁且具有很强的逻辑描述和 仿真功能；a b e l - b d l 特别适用于简单系统设计，在器件速度、器件利用率和效 率方面优于行为描述语言根据环形分配器的可逆循环计数寻址e p r o m 存储器 原理，本设计采用支持原理图输入和a b e l h d l 输入的l a t t i c e 公司的 i s p e x p e r ts y s t e m 开发系统和i s p l s i 系列器件较为合适。器件型号根据实现 要求的逻辑功能所需资源确定。 2 、顶层原理图的设计 1 4 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 根据可逆循环计数寻址e p r o m 存储器基本原理，设计出i s p l s i 器件内部的 顶层原理图如图2 - 9 所示，主要由z c o n t 和3 r o m 两个模块组成。其中z c o n t 通 过条件逻辑实现任意计数长度的可逆循环计数；3 r o m 存储各种励磁方式的输出 状态表。各模块的i 0 可根据系统需要增减，灵活方便。 3 、z c o n t 和3 r 叫模块a b e l y h d l 设计 a b e l 描述逻辑功能的表达方式有三种：( 1 ) 布尔方程；( 2 ) 真值表；( 3 ) 状态机。z c o n t 模块主要采用布尔方程：3 r o m 采用真值表。 图2 - 9i s p l s i 器件内部的顶层原理图 2 5 步进电机多重细分 细分能够改善步进电机的性能，但并非是越细越好当细分过细时，其后 果是由于步进电机的高频特性的限制，影响步进电机的运行速度。经细分羼的 电机转速为： n - - 善坚( 转份)( 2 3 ) l r m 拧 式中：i ，一转予的齿数 m 一电机的相数 n 一步进电机的细分数 - 1 5 河北农业大学硕士论文 f 一细分扫描频率 由于受步进电机本身电气特性的限制，步进电机细分扫描频率不可能太高， 一般不超过几十千赫，由上式可以看出，细分数n 与步进电机的转速n 成反比。 导致步进电机优良的起动特性、较高的定位精度，与较高的转速两者不可兼得。 为了解决这一矛盾，引入了步进电机的多重细分。所谓多重细分就是指根据具 体要求，使步进电机细分数可调，从而实现改变步进电机的最高运行速度。利 用计数器与存储器组合实现多重细分一般是将不同细分数的三相控制代码按顺 序分段存储，需要相当大的存储空间，并且要通过硬件电路实现计数器在不同 细分驱动时只扫描相应的存储空间段，电路复杂、实现困难、可靠性差。本设 计采用p l d 器件实现对多重细分功能有特别的优势。 多重细分无需分段存储多重细分的控制代码。只需按最大细分数n ，细分 代码长度为6 n 按顺序存放。不同的细分数只需改变计数器权值，如表2 所示。 表2 细分数与计数权值对应表 s t 2s t ls t 0 细分数计数权值 0ol2 5 61 0lo1 2 82 0ll6 44 1o03 28 1o11 61 6 ll083 2 1ll4 6 4 例如在2 5 6 细分时，计数器从0 0 h 开始寻址扫描，计数器接收到一个c p 脉冲，计数器便会加1 ，即寻址0 1 h ，又接收到一个c p 脉冲，计数器再加1 。 寻址0 2 h ，再接收到一个c p 脉冲，计数器寻址0 3 h ，依此类推。当1 2 8 细分 时，计数器同样从0 0 h 开始寻址扫描，计数器每接收到一个c p 脉冲，计数器 便会加2 ，跳过0 1 h ，直接寻址0 2 h ，再来一个c p 脉冲跳过0 3 h 直接寻 址0 4 h ，依此类推。而改变计数器的计数权值用a b e l - - h d l 语言相当方便， 只须设置一组细分方式输入信号端口s t ，p l d 内部逻辑计数器的计数权值与 细分方式输入信号对应关系如表2 所示。 总之，采用p l d 器件实现多重细分功能，不但节省了存储空间，而且通 过改变计数权值替代8 个不同进制的计数器，使该方式在集成度、线路复杂程 度、经济性、可靠性等方面都优于单功能芯片组合方式。 2 6 基于单片机的事件处理单元 前面一节中基于p l d 器件的环形分配器，具有许多功能接口如：正反转接 1 6 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 口，时钟脉冲接口，计数方式( 权值) 接口，( 零状态输出的接口) 等，另外细 分驱动的转速、方向、细分数的显示，以及更高要求的调速，自动定位等功能 事件需要一个事件处理单元来系统管理，该单元采用单片机系统来完成。与环 形分配器的连接如图2 1 0 所示 计数权值控制 。 c p u 步迸脉冲控制 ：p l d 可逆计数控制 二 零状态反馈 7 2 6 1 单细分调速 图2 1 0c p u 与环分器的接口 步进电机应用于伺服系统，其变速控制性能是一个很重要的技术指标。变 速性能的好坏，直接影响系统的质量。这里我们所设计的步进电机细分系统， 由于采取了多重细分技术，因此其变速性能得到改善。 一种细分下的调速是指在选定8 种细分的某一种细分工作方式情况下。实 现步进电机调速。在此情况下，欲改变步进电机的转速，只要改变可逆计数器 的输入脉冲c l k 的频率即可输入脉冲c l k 的频率f 和转速的关系： ：学 ( 2 4 ) j 一1 丽一 i 。 其中：n 是步进电机的转速 z ，是步进电机的转子齿数 i n 是步迸电机的定子相数 n 是步进电机的当前的细分数 则步进脉冲的周期t = l f 我们采用单片机内部定时器t i 作为脉冲发生器的时间基准，在定时器计数 溢出中断服务子程序中取反脉冲输出口的电平即可。则定时器计数初值a 的计 算公式： 设t l 在方式1 下工作 a = 2 ”一 其中t 是t l 从初值a 加l 计数至溢出时间 1 7 - ( 2 5 ) 河北农业大学硕士论文 ，= 弓 f o s c 是c p u 的晶振频率 将a 赋值t h l 和t l l ，启动定时中断便可实现电机调速。调速的软件框 图2 - 1 1 所示。 2 6 2 变细分调速 电动机转速要求 士 求步进脉冲频率 士 求时间常数t 0 求t 计数初值a 0 ，t h i ，t l i ；启动定时器 定时中断方波输出子程序 图2 - 11 单一细分调速控制框图 由式( 2 4 ) 知，当细分数n 变化时，电机的转速也随之变化。当步进脉冲 频率不变时，通过8 种细分控制可以得到8 种不同的电机转速，变细分调速的 控制框图如图2 1 2 所示。 2 6 3 调速域值的限制因素 前面论述引入多重细分驱动，可以有效解决较高转速要求和步进扫描频率 ( f ) 不能太高之间的矛盾。因此步进扫描频率( f ) 是步进电机调速域值的限 制因素之一，我们可以通过同时改变步进频率和细分数获得需要的电动机转速。 现在考虑一下步进电动机三相绕组电流阶梯波频率( f ) 可以求出f 与f 的关系： f = 磊 相应也可求出f 与n 的关系 1 8 一 ( 2 6 ) 步进电机细分驱动及微步距角测量修正系统的研究 = 嬲 ( 2 7 ， 1 2 8 细分? 6 4 细分? 3 2 细分? 1 6 细分? 、， 立 8 细分? - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ，- - - y e s 们i 送p l d 的s t 端口 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - y e s 1 0 0 送p l d 的s t 端口 y e s 1 0 1 送p l d 的s t 端口 y e sl i 0 送p l d 的s t 端口 y e sl l 】送p l d 的s t 端口 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - r 图2 1 2 变细分调速的控制框图 由以上关系可以看出通过细分数n 和步进频率f 组合调速，实际上是通过 改变阶梯波频率f 来实现的。那么阶梯波频率f 是否可以无限制提高呢? 当然 不能。阶梯波频率f 主要取决于步进电动机驱动主回路的充电时间常数tx 和 泄放时间常数tt 。充电时间常数t * 决定电流阶梯波上升段能否按频率f 上升 到额定电流值；同样t - 决定电流阶梯波下降段能否按频率f 下降到零电流。 t 和tt 的大小分别与充电回路等效电阻r 和泄放回路等效电阻r t 成反比。 公式如下： 7 蔗= 三斤着 ( 2 8 ) 7 艟= 三詹簟( 2 9 ) 因此f 和n 组合调速只有在f 域值范围内才有效。 耋 河北农业大学硕士论文 2 6 4 点位控制 步进电机的运动特点是给定个控制脉冲，电机的转子转过一个固定的角 度。因此对于一定的角位移可以直接转换成控制步进电机运动的脉冲数。 n = 吾 ( 2 1 0 ) 式中：妒一要求电机转子转过的角位移 口一细分后电机的步距角 一步进电机控制脉冲数 对于直线位移 = 等 ( 21 1 ) 式中：三一总的直线位移 p 一一丝杠的导程 口一细分后电机的步距角 由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 式可看出，位移的控制精度与。的值有关，我们可 日 以通过所要求的精度选择口值。因为0 = 翌，式中皖是步进电机没有细分是 的步距角，当电机选定时它是一个常数，所以选择口值实际上是通过选择细分 数n 来实现。在上面我们所设计的细分电路中n 可以有8 种选择值。 对于步进电机在整个点位控制过程中只采用一种细分方式时，点位控制比 较简单，其方法是把位移量转换成细分后的步距角数，根据步距角数与控制脉 冲数相等的关系，这样就知道位移与控制脉冲的关系。把这个脉冲数存放在一 个计数单元中，然后每发一个脉冲，计数单元内的脉冲数减1 ，直到计数单元 内的脉冲数减为零。 很多情况下，在点位控制运行控制过程中，步进电机的速度是变化的，为 了满足这种速度变化，可采用变细分控制实现速度调节。由于细分数在变化， 那么脉冲数与位移就不存在单一换算关系，采用的细分数不同，对应的步距角 不同，每步对应的步距位移就不同。由于定位精度的要求，在最后定位时所采 用的细分数我们应该是知道的此时我们可以把位移量转换成整步距角位移和 微步距角位移两部分。因为不管怎么细分，转子转过一个整步所对应的位移是 一定的，那