步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与实现

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与实现

张志利

（第二炮兵工程学院，西安&$""!#）

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526"07$%7!$.."0"&,$’,$&%)’,"1$&"-.,7"5,"66$&%8-,-0

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（’()*)+,-./01233)045-62-))02-67-812191)，:2’;-&$""!#，<(2-;）

摘

要：在步进电机$=位超高分辨率细分驱动系统设计

流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即同时改变两相电流’/和’R的大小，使电流合成矢量’S等幅均匀旋转。这种方法从

理论上根本消除了滞后角!T的变化对细分角的影响，确保了超高分辨率细分的实现。’/和’R的变化曲线可描述为：

’/)’A+,8*’R)’A82-*

!

!

!

!

!

中，采用“电流矢量恒幅均匀旋转”细分方法，对细分控制函数发生器5>?@A中的数据进行固化，选用!片B/<"CD!八位构成$=位BE/BE/转换器和$片@>"&高精度运算放大器，转换器，复现了固化数据，达到了良好的设计效果。

关键词：步进电机；细分；数据固化；BE/转换中图分类号：98:;:<=

文献标识码：>

文章编号：（D@@?）?@@ABC@?;@?B@@?@B@A

>E#,0’3,：7-1().)826-2-6,F1()81)GG2-6H,1,0’8F2-).02I2-68481)HJ21($=K2182-89G)0(26(.2FF)0)-12;12-60;1)，1(0,96(;.,G12-61()H)1(,.-;H).“<900)-1I)+1,0)I)-0,1;12,-J21(9-2F,0H;HG32L，1().;1;J;8J0211)-2-1()5>?@A,F1()F2-)+,-10,38F9-+12,-19.)”

6)-)0;1,0M’(0,96(1()$=K218BE/+(;-6)08+,-8281,F1J,G2)+)8,F（CK218+(;-6)0）;-.,-)G2)+),F@>"&（(26(G0)+282,-,GLB/<"CD!

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（$）

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这就是所谓的细分控制函数，’/为余弦函数，’R

为正弦函数。当按照式（$）所示的规律对/、R两相电流进行控制时，每当参数*变化$+，步进电机的转子将转过一个电角度。/!"="%N!$!型步进电机的其齿距角为D="OE$""UDM=O，则转子上有$""个齿，

其电角度为：

齿距角))","$+)D=-D="D="

DMD细分驱动系统简介

图$为步进电机$=位超高分辨率细分驱动系统

$电角度)

的原理组成框图。由图中可以看出，它主要由环形分配器、细分控制函数发生器、三角波发生器、>7B电流电流取样电路、功率桥调节器、>VA脉宽调制电路、和电源等部分组成。

细分驱动系统的简要工作过程是：计算机送出的脉冲信号经环形分配器中的计数器计数与分配，送到细分控制函数发生器，产生大小受控于控制参数*的正、余弦函数的两路电压./、分别作为电机.R，经>7B电流调节器放/、R两相绕组电流的控制电压，大，再与三角波电压比较，其差值电压由>VA脉宽调制电路整形为脉宽正比于控制电压的方波，用来控制功率桥中WA@*管的通断。电机绕组/R与//分别接在两个功率桥的对角线上，取得正、余弦电流’A +,8*。这样每当输入一个脉冲，电机转子82-*与’A

?引言

在某装备自动定向系统研究中，采用了“计算机—步进电机—定向机构”的闭环控制方案，选用的是其整步距角为/!"="—N!$!型两相混合式步进电机，

显然不能满足装备定向精度在几秒之内的要"MNO，

求，因此，必须对步进电机实施细分驱动。系统采用电流矢量恒幅均匀旋转方法，设计并实现了步进电机的$=DCP（!$P）细分，步进电机微步矩角达到了"M!Q，不仅满足了系统的设计要求，而且对步进电机细分技术也进行了一些有益的探索。

D步进电机超高分辨率细分驱动系统简介

DM?电流矢量恒幅均匀旋转细分方法

步进电机步距角细分是通过改变步进电机相电

收稿日期：修稿日期：!""""#!$；!"""%"&%$!

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万方数据

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器

就步进一个微步距角!!：

!!"

#$个电角度#$)*+

""$,&#--.+!$,%+（%）

%%图!步进电机细分驱动系统原理组成框图

图"01234固化值与地址对应关系

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&*)8’]

&*)8’

，#"$&%&.’&

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’&

}

（)）

式中：方括号［］表示按“四舍五入”方式取整。

对01234进行数据固化是通过烧碌器在计算机编程控制下完成的。烧碌（固化）用数据采用7语

言，按照式（)）的数学模型编程获得，数据存储格式为二进制。/相和=相各有%&.组&*位二进制数据。01234固化数据中的部分典型值与地址对应关系见下表。

图#

（余弦）细分控制函数发生器电原理图/相

（$9%$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$&

……

$$$$$$$$$&$&$$&$$$$$$$$$&$&$&$

……

$&&&&&&&&&&&&&$$&&&&&&&&&&&&&&&$$$$$$$$$$$$$&

……

&$$$$$$$$$&$&&$&$$$$$$$$$&$&&&

……

&&&&&&&&&&&&&&$&&&&&&&&&&&&&&&

&.

（部分）01234中固化数据与地址对应关系表

数据!（正弦）=

（)）（’）0123401234（$$）（$$）$$$$$$$$$$$$$$$$（$$）（$*）$$$$$$$$$$$$$&&$…………（$%）（&*）$$$$$$&$$$$&$&&$（）（&-）$$$$$$&$$%$$$&$&&&…………（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&…………（$%）（&-）$$$$$$&$$$$&$&&&（$%）（&*）$$$$$$&$$$$&$&&$…………（$$）（$*）$$$$$$$$$$$$$&&$（$$）（$$）$$$$$$$$$$$$$$$$

数据!（余弦）/

（&）（%）0123401234（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&…………（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&（）（&&&&&&&&;;&&&&&&&$;0）…………（$$）（$*）$$$$$$$$$$$$$&&$（$$）（$$）$$$$$$$$$$$$$$$$（$$）（$*）$$$$$$$$$$$$$&&$…………（;;）（;0）&&&&&&&&&&&&&&&$（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&…………（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&（;;）（;;）&&&&&&&&&&&&&&&&

注：表中括号内数据为十六进制形式

万方数据

!!

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器

!!"细分控制函数的产生

（)）、"#$%&’(（(）和*+%,（%)）共同作"#$%&’(

用，将-+.*/输出的)0位数字量转换为模拟电压量，即产生余弦细分控制函数值。

（)）参考电压输入端&端输入电压!.#)"#$%&’(

由$$1%2(双四选一模拟开关电路提供，约为3’4。（(）转换器参考电压输入端&端的输入电压"#$%&’(

（%)）输出端电压。!.#)为*+%,

（单运放）。*+%,（%)）*+%,为高精度运算放大器

输出端电压!（（(）的参考电压!.#(）与其正%"#$%&’(相输入端电压!53（"#$%&’(（)）的参考电压!.#)）的由于步进电机细分驱动系统是连续反馈控制系统，它需要"8#转换器的模拟输出能连续地反映输入数字)端）(端）、量的状态，因此，"#$%&’(的)&端）和),端）直接接到了“地”，而9A-（)B端）直接接到了324高电平，这就确保了它的两个内部寄存器能紧跟输入数字量的变化。

当数据被锁存在内部寄存器中时，输入数字量的变化将会产生电流尖峰，它通常是由响应输入变化的快速开关引起的。为了把尖峰电流限制到最小，在（B、))"#$%&’(八位"8#转换器的反馈电阻两端端）之间并联了反馈电容$(和$1，从根本上衰减了关系可描述为：

!.#(

"

#))

#!（1）

)%$#)).#)

因为#)%6((27!，#))6)7!，

则有：!.#("

)(22$)!.#)")

(

&!.#)

（2）因此，可以认为两片"#$%&’(八位"8#转换器通过)

片*+%,运算放大器的级联，构成了一个十六位"8#转换器，其中，"#$%&’(（)）作为高&位"8#转换器，"#$%&’(

（(）作为低&位"8#转换器，两者的输出电流经*+%,

（%’）和*+%,（%1）运算放大器处理后转变为大小受控于控制参数%的余弦电压信号，汇集到一

起送到后面的+9"电流调节电路。

*+%,

（%’）和*+%,（%1）的0端输出的控制电压分别为：

&#)6:相高八位输入数字量

(&

!.#)

&:相低八位输入数字量

#(6(&

!.#(

}

（0）

则由式（2）

（、0）可得：&#"&#)$&#(6

:

相高八位输入数字量

(&

!.#):

相低八位输出数字量(&

;(&!.#)6:

&相高八位输入数字量

()0

!.#)3相低八位输入数字量

()0

!.#)

即细分控制函数发生器输出的#相控制电压为：&#6:

相位输入数字量

()0

!:’.#)6#(

)0!.#)（,）

同样可得<相控制电压为：

&’<"(

()0

!.<’（&）

万方数据

尖峰的影响。

由(片"#$%&’(构成的)0位"8#转换器能否正常稳定工作的关键，就是确保"#$%&’(（)）和"#$%&’(

（(）转换器参考电压输入端所加电压的关系稳定在)8(20的比例上，为此，系统设计中除了选用高精度运算放大器*+%,作为级联环节外，还在*+%,的调零端)、&端之间加上了调零电阻.>)。!!!细分控制函数的形成

"#$%&’(参考电压!.与细分驱动系统输入脉冲数)之间的关系，如图1所示。当)6)C)0’&’时，!.#)6!.<’6:’4，由（,）、（&）可知，在细分控制函数发生器输出端得到的输出电压&#、&<为正值，其变化曲线与对应的-+.*/中%%%%（%）C’@@@（)0’&’）

地址范围内固化数据变化曲线同相；

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器

（!"#$%）（#%’"’）地址范围内固化数据反相；&’(((当!)"**#"&$!+!+时，输",-!)",.#)/#0，

其变化曲线与相应的12,34出电压#-、#.为正值，中5555（5）（!"#$#）地址范围内固化数据变化&#(((曲线同相。

依此类推，循环往复，则在6675*%双四选一模拟开关电路的控制下，细分控制函数发生器的输出端得到的输出电压#-和#.的变化曲线分别为余弦和正的要求，保证了电流合成矢量$8弦曲线，满足式（!）

幅值的恒定，如图*

所示。

!

以消除?-$5温漂和步控制系统通电，并预热%5B<=，

进电机细分控制系统零漂对测试结果的影响。调整自准直光管本机和模拟平台实验装置上棱镜装置的相对位置，将自准直光管的物镜中心（光轴）基本上对准棱镜装置的中心。然后调整支承模拟平台实验装置的专用活动工作台的底脚螺旋，并借助水准器，使

棱镜装置反射面基本上与光轴垂直。

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["**#*’9:;

（!’!"#$7

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取近似值，则有：

#-"&9:;（!’!"#$7

",-!

#."/;<=

（!’+5(

!"#$7 ",.#

因为",-!)",.#)","#0，并将式（%）代入上式，化简可得：

#-%",9:;（!!>）#.%",;<=（!!>）

令)%!!>，

则上式表示成电流形式为：$-%$49:;)

$.%$（+）

4;<=)

}

可见，式（+）与式（!）式完全相同，因此，细分控制函数发生器输出信号的变化曲线正是电流矢量恒幅均匀旋转细分方法理论上所需要的控制函数。

"试验测试及结论

图"所示为!"位步进电机细分控制系统微步距角测试仪器架设示意图，其主要由?-$5型光电自准

直光管（精度为5@#A，分辨率为5@!A）、模拟平台实验装置、工业控制机和被测步进电机细分控制系统等部分组成。

测试前，按照图"所示架设好各仪器设备，连接好电缆。给?-$5光电自准直光管和步进电机细分

万方数据

!，

再除以脉冲个数*，即可得到微步距角测量值!>测。重复上述步骤+次，得到+个微步距角测量值!>测!&!>测C。求出其算术平均值!>测，即为步进电机细分控制系统微步距角!>的实测值。

实际测量时，计算机每次发出*个脉冲，按正、反

不同转向分别测量#5个数据，正反向各测量*组共

!5组数据。其测量结果是：!>"5@%A，与式（%）所示理论计算值相同，达到了良好的设计效果。它的研制成功，为装备自动定向系统的研究提供了有力的技术保证。参考文献：

!］张志利@高精度自动化定向系统设计研究［D］@第二炮兵工程学

院博士学位论文，%555年7月

%］于继洲@集成-ED和DE-转换器应用技术［4］@北京：

国防工业出版社，!+$+年%月

作者简介：张志利（!+""/），男，副教授。

%$

［［

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张志利

第二炮兵工程学院,

微特电机

SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES2001,29(1)26次

1.于继洲 集成A/D和D/A转换器应用技术 19892.张志利 高精度自动化定向系统设计研究 2000

1.邓耀华.吴黎明.张力锴.陈景郁.苏振锐 一种提高显微数控平台控制精度的细分驱动算法[期刊论文]-机械设计与制造 2010(5)

2.董圣英.刘建亭.霍孟友 基于驱动电路3955的步进电机细分驱动器设计[期刊论文]-济南大学学报（自然科学版）2010(4)

3.姜杏辉.邹丽新.孙平.马励行.季晶晶 基于可控电流源的高精度高细分步进电动机细分驱动[期刊论文]-微特电机2008(5)

4.徐志跃.文招金.陈伟海 基于FPGA的两相步进电机细分驱动电路设计[期刊论文]-电气传动 2008(4)5.王志超.林岩.李大庆 两相混合式步进电机细分驱动[期刊论文]-信息与电子工程 2008(6)6.彭烨 一种用于步进电动机细分控制的自适应分段拟合算法[期刊论文]-微特电机 2007(4)

7.刘同波.赖康生.代东明 基于MSP430的步进电动机细分驱动控制系统[期刊论文]-微特电机 2007(9)8.张齐.华亮.吴晓 基于FPGA的反应式步进电动机控制系统设计[期刊论文]-微电机 2007(10)9.杨韬仪.王辉.徐锋 两相步进电动机细分方法研究[期刊论文]-微电机 2007(9)

10.华亮.包志华.高明.陆国平 步进电机新型控制器设计及其在机器人多自由度关节中的应用[期刊论文]-电机与控制应用 2006(9)

11.丁学恭 步进电动机高精度矢量细分法微步距控制的设计与实现[期刊论文]-机械制造与自动化 2006(4)12.杨庆坤 高速主轴在线动平衡装置的设计与研究[学位论文]硕士 200613.乔璐 高精度两相混合式步进电动机驱动控制系统[学位论文]硕士 2006

14.王丽.李敏远 二相混合式步进电动机的微步驱动方式研究[期刊论文]-西安理工大学学报 2005(3)15.王婕.陈磊.史大光 高速运行步进电机转子动态误差的分析研究[期刊论文]-济南职业学院学报 2005(3)16.吴晓苏.丁学恭.裘旭东 等幅电流矢量思想的微步距控制技术及其应用[期刊论文]-工程设计学报 2005(4)17.邹丽新.朱桂荣.陆家昌.季晶晶.董健 精密控制系统中步进电机的电细分技术研究[期刊论文]-电子技术应用2005(5)

18.陈棣湘 常导型高速磁浮列车电磁系统的研究[学位论文]博士 2005

19.刁红泉 基于DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统[学位论文]硕士 2005

20.张建彬.黄佐华.杨怀.张恒.邓宏蛟 直接电压放大功率驱动的步进电机细分驱动技术研究[期刊论文]-华南师范大学学报（自然科学版） 2004(4)

21.王泮海 二相混合式步进电动机伺服系统研究[学位论文]博士 2004

22.雷凯.邹丽新.张耀明 步进电机细分驱动中绕组电流的修正[期刊论文]-苏州大学学报(自然科学版) 2003(1)23.雷凯.邹丽新.张耀明.夏绍建.董健 同步辐射光束位置监测系统中电细分控制技术[期刊论文]-光学精密工程

步进电机超高分辨率细分控制函数发生器

2003(3)

24.董健.张耀明.邹丽新.雷凯 基于电流矢量恒幅均匀旋转的步进电机细分控制及光学检测技术[期刊论文]-电子工程师 2003(6)

25.李景男.王旭东 基于DSP的二相混合式步进电动机SPWM细分驱动[期刊论文]-中小型电机 2002(4)26.王泮海.史敬灼.徐殿国 二相混合式步进电动机SPWM细分驱动[期刊论文]-微特电机 2002(6)

本文链接：/Periodical_wtdj200101003.aspx

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