基于FPGA_的四相步進電機細分驅動電路設計

1、基于FPGA 的四相步進電機細分驅動電路設計黃偉平（浙江樹人大學，浙江省杭州市）摘要：在采用步進電機驅動的機構中,為了提高定位精度,提出了一種基于FPGA 的四相步進電機細分驅動電路的設計方案。采用正弦/ 余弦細分方案,通過嵌入cos/ sin 表格于FPGA 中,合理控制步進電機四相繞組的電流,實現(xiàn)正弦細分驅動控制技術,減小了步距角、提高了步進分辨率。給出了FPGA 軟件設計,并在Quartus II中完成了仿真。仿真結果表明,PWM計數(shù)器模塊，地址計數(shù)器模塊，PWM波形ROM存儲器模塊，數(shù)字比較器模塊,都可以由FPGA 準確無誤地產(chǎn)生，本系統(tǒng)最終現(xiàn)實對四相步進電機八細分驅動電路的設計。關鍵

2、詞：FPGA ； 四相步進電機 ； 細分 ； 驅動電路引言步進電機是把脈沖信號轉換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖相對應的增量驅動元件。具有定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動性能好、易于控制、價格低廉及與計算機接口方便等優(yōu)點，被廣泛應用于數(shù)控系統(tǒng)中1,2。計算機技術的發(fā)展，促進了數(shù)字控制技術的發(fā)展。步進電機細分驅動技術可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。利用FPGA中的嵌入式EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形表，再利用數(shù)字比較器同步產(chǎn)生多路FPGA電流波形，對多相步進電機進行控制。若改變控制波形表的數(shù)據(jù)、增加計數(shù)器和比較器的位數(shù)

3、，提高計數(shù)精度，就可以提高PWM波形的細分精度，進而對步進電機的步進轉角進行任意級細分，實現(xiàn)轉角的精確控制。1.步進電機細分驅動原理圖 1四相步進電機八細分電流波形步進電機的驅動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流，實現(xiàn)步進電機內部磁場合成方向的變化來使步進電機轉動的。設矢量Ta、Tb、Tc、Td為步進電機A、B、C、D四相勵磁繞組分別通電時產(chǎn)生的磁場矢量；Tab、Tbc、Tcd、Tda為步進電機中AB、BC、CD、DA兩相同時通電產(chǎn)生的合成磁場矢量。當給步進電機的A、B、C、D四相輪流通電時，步進電機的內部磁場從TATBTCTD,即磁場產(chǎn)生了旋轉。步進電機的步距角B計數(shù)公式3可表示為：B

4、=M/Nr ；式中Nr：為步進電機的轉子齒數(shù)；M：為步進電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。而圖1為四相步進電機八細分電流波形圖，從圖中可知各相電流是以1/4的步距上升或下降的，在兩相Ta，Tb中間又插入了七個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，原來一步所轉過的角度M 將由八步完成，實現(xiàn)了步距角的八細分。2. 基于FPGA的硬件實現(xiàn)隨著大規(guī)模集成電路FPGA/CPLD的發(fā)展，為步進電機的細分驅動帶來了便利。采用EDA技術進行控制設計，可根據(jù)細分要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流，存儲在FPGA的嵌入式ROM中。細分控制時，地址計數(shù)器自動產(chǎn)生地址送到LPM-ROM，根據(jù)不同的地址，LPM-ROM給出相應的數(shù)據(jù)到

5、數(shù)字比較器，與線性鋸齒波比較后輸出PWM波形,控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，實現(xiàn)步進電機的細分驅動4。3.步距細分的系統(tǒng)構成從圖1四相步進電機八細分電流波形中可以看出，一般情況下總有二相繞組同時通電。一相電流逐漸增大，另一相逐漸減小。對應于一個步距角，電流可以變化個臺階，也就是電機位置可以細分為個小角度，這就是電機的一個步距角被細分的工作原理?；蛘哒f，步距角的細分就是電機繞組電流的細分，從而可驅動步進電機平滑運行。圖3步進電機細分驅動電路結構圖該系統(tǒng)是由 PWM 計數(shù)器、波形ROM 地址計數(shù)器、PWM 波形ROM 存儲器、比較器、功放電路等組成，如（圖3步進電機細分驅動電路結構）所示。

6、其中，PWM 計數(shù)器在脈寬時鐘作用下遞增計數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性的鋸齒波，同時加載到各數(shù)字比較器的一端；PWM 波形ROM 輸出的數(shù)據(jù)A3.0、B3.0、C3.0、D3.0分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當PWM 計數(shù)器的計數(shù)值小于波形ROM 輸出數(shù)值時，比較器輸出低電平；當PWM 計數(shù)器的計數(shù)值大于波形ROM 輸出數(shù)值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM 波形。根據(jù)圖1步進電機8 細分電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應的數(shù)值存放于波形ROM 中，波形ROM的地址由地址計數(shù)器產(chǎn)生。通過對地址計數(shù)器進行控制，可以改變步進電機的旋轉方向、轉動速度、工作/停止狀態(tài)。FPGA

7、產(chǎn)生的PWM 信號控制各功率管驅動電路的導通和關斷，其中PWM 信號隨ROM 數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號的占空比，達到限流及細分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)步距細分的目的。輸出細分電流信號采用FPGA 中LPM_ROM 查表法，它是通過在不同地址單元內寫入不同的PWM 數(shù)據(jù)，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分。3.1電路原理圖設計根據(jù)圖3設計該系統(tǒng)的原理圖，通過FPGA技術設計頂層電路。如圖3.1、圖3.3、圖3.4，其中圖3.3、圖3.4是圖3.1中的模塊圖，而圖3.2是圖3.4PWM波形存儲器的波形圖。圖3.1 步進電機PWM細分控制電路圖圖3.2 是PWM波形RO

8、M存儲器的波形圖3.4 PWM波形ROM存儲器圖3.3 是圖3.1中的cmp3模塊圖4.細分電流信號的實現(xiàn)從LPM_ROM 輸出的數(shù)據(jù)加在比較器的A 端，PWM 計數(shù)器的計數(shù)值加在比較器的B 端，當計數(shù)值小于ROM 數(shù)據(jù)時，比較器輸出低電平；當計數(shù)值大于ROM 數(shù)據(jù)時，比較器則輸出高電平。如果改變ROM中的數(shù)據(jù)，就可以改變一個計數(shù)周期中高低電平的比例。圖3.1中的PWM 計數(shù)器（CNT8）將整個PWM 周期4 等份。5.系統(tǒng)的實驗結果與分析5.1系統(tǒng)的實驗結果圖5是四相步進電機仿真波形圖，給出了步進電機從AABBBC工作過程的仿真波形。在圖中展示了FPGA 控制步進電機的情況。LPM_ROM

9、輸出的16 位數(shù)據(jù)p15.0為八進制數(shù)據(jù)，作為步進電機各相電流的參考值，每4 位二進制數(shù)值控制一相，分別用于控制步進電機A、B、C、D 四相的工作電流。對于每一相來說，當輸出數(shù)據(jù)為0 時，該相電流為0；輸出數(shù)據(jù)為1 時，脈寬高電平占一個PWM 周期的1/4；當輸出數(shù)據(jù)為2 時，脈寬高電平占一個PWM 周期的2/4；當輸出數(shù)據(jù)為4 時，整個PWM 周期均輸出高電平5。圖中，Y3、Y2、Y1、Y0 分別表示A、B、C、D 相電流，u_d 為方向控制，clk 產(chǎn)生線性遞增的鋸齒波，clk5 為步進脈沖，p15.0為LPM_ROM 輸出數(shù)據(jù)。圖5 步進電機PWM仿真波形圖5.2系統(tǒng)的結果分析從仿真波形

10、圖5中可以看出，首先，步進電機 A 相導通，B、C、D 相截止，p15.0輸出數(shù)據(jù)為F000Q，A相的數(shù)據(jù)為F，其他相的數(shù)據(jù)為0。然后逐漸過度到AB 相導通；p15.0輸出數(shù)據(jù)為F600F900FC00FF00，B 相的數(shù)據(jù)逐漸增大，從1 增大到4。電機中的磁場經(jīng)過4 拍從A 相轉到了AB 相，再經(jīng)過4 拍從AB 相轉到B 相，p15.0輸出數(shù)據(jù)為CF009F006F000F00，A 相的數(shù)據(jù)逐漸減小，從F 變?yōu)?。從A 到AB 到B 共經(jīng)過了8 拍，實現(xiàn)了步距角的8 級細分。LPM_ROM 輸出數(shù)據(jù)p15.0的變化近似于正弦信號的包絡，使各相的輸出電流Y3Y1 按照正弦規(guī)律均勻變化。由于步進

11、電機是電感性負載，對輸出的PWM 電流具有平滑濾波作用，對電機線圈起作用的是PWM 的平均電流，同時輸出信號中的細小毛刺也被濾除。6、細分驅動性能的改善試驗測定顯示，在線性電流的驅動下，步進電機轉子的微步進是不均勻的，呈現(xiàn)出明顯的周期性波動。磁場的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復是導致微步距角周期性變化的根本原因。同時，不可避免的摩擦負載(摩擦力矩是不恒定的，或者說在一定范圍內也是不確定的)以及其它負載力矩的波動導致失調角出現(xiàn)不規(guī)則的小變動或小跳躍，也使微步距角曲線在周期性波動上出現(xiàn)不光滑的小鋸齒形。步進電機的電流矩角特性并非線性函數(shù)，而是近似于正弦函數(shù)。若使電流按線性規(guī)律上升或下降，必然會造成

12、每一細分步的步距角不均勻，從而影響步距精度。為此在設計中，需要提高LPM_ROM 數(shù)據(jù)精度，將數(shù)據(jù)提高到十六位，使輸出的步進細分電流近似為正弦電流，這樣不僅提高了步距精度，而且可以改善低頻震蕩。7.總結實測結果表明，要使步進電機細分后獲得均勻的步進轉角，其 PWM 驅動電流應近似于正弦電流，而非線性遞增的電流。因此ROM 文件中的數(shù)據(jù)進行適當選擇，使每一步的電流增加量接近正弦波，并根據(jù)實際轉角作了適當調整。由于PWM 的輸入時鐘頻率較高，因此可以獲得均勻的平均電流，并且每一步的時間間隔相等，轉角近似均勻，從而實現(xiàn)對多相步進電機的轉角進行均勻細分,有效地控制步進電機。8.參考文獻1張志利. 步進電機超高分辨率細分控制函數(shù)發(fā)生器的設計與實現(xiàn)J . 微特電機,2001 ,29 (1) :10 - 13.2林海波. 基于AT89C51