FPGA步进电机控制系统设计方案

本文摘要：作者：紫文才，何邦贵，紫振钦 随着控制技术以及Q电机（StepperMotor）的发展，现代工业的许多领域对Q电机的市场需求也更加大。但是传统的Q电机控制系统多以单片机等微处理器为基础，往往具备控制电路体积大、掌控效率较低、稳定性劣等缺点。鉴于此，本文明确提出了一种基于FPGA的Q电机控制系统的设计方案。 方案利用FPGA掌控速度快、可靠性强劲等特点，利用等步距细分原理和PWM控制技术，设计出有了低灵活性、可嵌入式、分辨率低的Q电机控制系统。

作者：紫文才，何邦贵，紫振钦　　随着控制技术以及Q电机（StepperMotor）的发展，现代工业的许多领域对Q电机的市场需求也更加大。但是传统的Q电机控制系统多以单片机等微处理器为基础，往往具备控制电路体积大、掌控效率较低、稳定性劣等缺点。鉴于此，本文明确提出了一种基于FPGA的Q电机控制系统的设计方案。

方案利用FPGA掌控速度快、可靠性强劲等特点，利用等步距细分原理和PWM控制技术，设计出有了低灵活性、可嵌入式、分辨率低的Q电机控制系统。建模和实验证明，该控制系统高效可信。　　0章节　　Q电机是将电脉冲信号改变为角位移或线偏移的开环掌控电机，输入脉冲总数掌控Q电机的总转动角度，电机的速度由每秒输入脉冲数目所要求，因此不易构建机械方位的精准掌控。

而且由于Q电机价格低廉、可控性强劲等特点，使其在数控机床传输掌控等自动控制领域中获得了普遍的应用于。但随着技术的发展以及企业生产的拒绝，Q电机传统的以单片机等微处理器为核心单元的控制系统暴露出了如下缺点：控制策略单一有利于构建嵌入式，而且控制电路简单、控制精度较低、生产成本低，系统稳定性过于，Q分辨率较低、缺少灵活性，低频时的波动和噪声大，而且不受Q电机机械结构和空间的容许，Q电机的步距角不有可能无限的小，无法符合高精度开环掌控的市场需求。

由于FPGA编程方式非常简单，研发周期短，可靠性低，使其在工业掌控领域的应用于更加普遍。本文在总结FPGA的方波技术以及Q电机细分掌控原理的基础上，通过PWM控制技术来提升Q电机的分辨率，建模和实验指出，本文采行的措施有效地构建Q电机掌控的高效、准确掌控。　　1Q电机细分掌控原理　　Q电机的工作原理如图1右图，对四互为Q电机而言，按照一定的顺序对各互为绕组通电才可掌控电机的旋转。例如，当电源B与电源导通而其他电源插入时，在磁力线的起到下B互为磁极和转子0,3号偏移；当电源C与电源导通而其他电源插入时，在磁力线的起到下，转子旋转，1,4号齿和C互为绕组的磁极偏移。

同理，依序向A,B,C,D四互为绕组供电，电机就不会沿着A,B,C,D方向旋转。　　为了解读Q电机的严重不足，还须要理解Q电机的步距角。步距角的定义为：　　式中：km为Q电机的工作节奏系数；zn为齿数。　　不受Q电机的拍数和转子齿数的容许，Q电机的步距角不有可能十分小，即每一单步掌控的旋转量比较较为大，在许多仪器掌控领域，Q电机的功能约将近用于拒绝。

因此为了提升Q电机的分辨率，须要使用细分控制技术对其展开优化掌控。细分掌控类似于插值，其基本原理就是将电机绕组中的电流细分，在两个掌控电流之间减少许多中间状态的电流，使得Q电机可以工作在许多中间的状态，从而使得Q电机的每一步获得细分，其步距角更加小，系统的辨别获得提升，性能获得优化。而细分掌控一般来说有两种细分方式，一是使电流按线性规律变化来细分，二是按等步距角细分。为了较为两种细分方式的好坏，还必须理解Q电机工作时的静态距角特征。

　　式中：M为电磁转矩；Mk为一定绕组电流时的仅次于静转矩；对于反应式Q电机，当不考虑到磁路饱和状态时，可以指出Mk与电流i的平方成正比，负号回应电磁转矩与定子磁场之间为楞次关系，即电磁转矩总是妨碍转子离开了磁场大于磁阻的方位。　　现以三相反应式Q电机来分析两种细分方式。

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