FPGA的步进电机细分驱动研究与设计+电路原理图+仿真图(2)
目前市场上比较流行的步进电机一般为反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上面有多相励磁绕组，可以利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机指的是混合了反应式和永磁式的优点。它又分为五相和两相，五相步进角一般为0.72度而两相步进角一般为1.8度[1,2]。
传统电动机作为机电能量转换装置，但由于脉冲的不连续性又使步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高及驱动系统可靠性差等。严重制约了其应用范围。
所以步进电机的细分驱动技术应运而生，由于细分驱动的迅速发展，使得步进电机在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
可以说步进电机细分驱动的快速发展离不开现代计算机工业技术。现代计算机工业技术为它提供了技术上的支撑，但是随着步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机技术，其设备的性能不断得到提高，大大的促进了步进电机细分驱动技术的发展。另一方面，微小型计算机和数字控制技术的快速发展，又将步进电机的细分驱动推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等[3]。
2. 设计原理分析
2.1 设计分析
2.1.1 设计优点
利用细分驱动技术设计的步进电机能直接将数字脉冲信号转换成线位移或角位移，因此它很适合作为数字控制系统中的元件。并且它还具有一系列特殊的优点，一是有些类型的步进电机在停止供电的工作状态下还存在定位转矩的功能，有些类型的步进电机在停机后某些相的绕组仍然保持着通电的状态，不需要机械制动装置，具有自锁能力等。当采用位置和速度检测装置后，它可构成闭环控制系统。二是对它的控制性好，在开环系统中可以在很宽的范围内通过改变输入脉冲的频率来调节步进电机的转速，并且能够实现快速启动、制动和反转。三是步进电机每转一周都有固定的步数，所以在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。四是输出的线位移量和角位移量与其输入的脉冲个数成正比，而线速度或转速与输入脉冲的频率成正比，在步进电机负载能力的范围内的这些关系并不受负载大小、电压大小、环境条件等各种外界因素的干扰。
利用细分驱动技术设计的步进电机具有结构简单坚固耐用工作可靠的优点。但是传统的步进电机驱动系统大多数采用的是用单片机作为控制芯片。外加分立的数字逻辑电路和模拟电路构成。受单片机工作频率的限制，细分数不是很高，因此驱动器的控制精度较低，控制性能不是很理想。近年来随着可编程逻辑器件的飞速发展。使得可编程逻辑器件功能越来越强大从而促使高集成化高精度驱动器的出现[7,8]。
2.1.2 设计思路
本系统是以FPGA为核心控制器件。FPGA全称为Field Programmable Gate Array，翻译为现场可编程门阵列，它是在可编程器件PAL、GAL、CPLD的基础上进一步发展出来的产物。它作为专用集成电路（ASIC）类型中一种半定制电路，既解决了定制电路不足的缺点，又解决了原有的可编程器件中门电路数有限的不足。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它彻底改变了数字系统的设计方法和实现手段。随着硬件描述语言VHDL的普及以及CPLD/FPGA器件的广泛应用，它必将在硬件设计领域发挥更为重要的作用。基于FPGA 技术对步进电机的转速进行精确控制，具有可移植性能优越、可靠性强等优点，具有广泛的应用前景。