基于FPGA_的四相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1、基于FPGA 的四相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)黃偉平（浙江樹(shù)人大學(xué)，浙江省杭州市）摘要：在采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中,為了提高定位精度,提出了一種基于FPGA 的四相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。采用正弦/ 余弦細(xì)分方案,通過(guò)嵌入cos/ sin 表格于FPGA 中,合理控制步進(jìn)電機(jī)四相繞組的電流,實(shí)現(xiàn)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù),減小了步距角、提高了步進(jìn)分辨率。給出了FPGA 軟件設(shè)計(jì),并在Quartus II中完成了仿真。仿真結(jié)果表明,PWM計(jì)數(shù)器模塊，地址計(jì)數(shù)器模塊，PWM波形ROM存儲(chǔ)器模塊，數(shù)字比較器模塊,都可以由FPGA 準(zhǔn)確無(wú)誤地產(chǎn)生，本系統(tǒng)最終現(xiàn)實(shí)對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵

2、詞：FPGA ； 四相步進(jìn)電機(jī) ； 細(xì)分 ； 驅(qū)動(dòng)電路引言步進(jìn)電機(jī)是把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。具有定位精度高、慣性小、無(wú)積累誤差、啟動(dòng)性能好、易于控制、價(jià)格低廉及與計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中1,2。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)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(gòu)成存放電機(jī)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(duì)多相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。若改變控制波形表的數(shù)據(jù)、增加計(jì)數(shù)器和比較器的位數(shù)

3、，提高計(jì)數(shù)精度，就可以提高PWM波形的細(xì)分精度，進(jìn)而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)角進(jìn)行任意級(jí)細(xì)分，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角的精確控制。1.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理圖 1四相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分電流波形步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)合成方向的變化來(lái)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。設(shè)矢量Ta、Tb、Tc、Td為步進(jìn)電機(jī)A、B、C、D四相勵(lì)磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量；Tab、Tbc、Tcd、Tda為步進(jìn)電機(jī)中AB、BC、CD、DA兩相同時(shí)通電產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D四相輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)從TATBTCTD,即磁場(chǎng)產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的步距角B計(jì)數(shù)公式3可表示為：B

4、=M/Nr ；式中Nr：為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；M：為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)兩相鄰穩(wěn)定磁場(chǎng)之間的夾角。而圖1為四相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)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(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，原來(lái)一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度M 將由八步完成，實(shí)現(xiàn)了步距角的八細(xì)分。2. 基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)隨著大規(guī)模集成電路FPGA/CPLD的發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了便利。采用EDA技術(shù)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，可根據(jù)細(xì)分要求的步距角計(jì)算出各項(xiàng)繞組中通過(guò)的電流，存儲(chǔ)在FPGA的嵌入式ROM中。細(xì)分控制時(shí)，地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)產(chǎn)生地址送到LPM-ROM，根據(jù)不同的地址，LPM-ROM給出相應(yīng)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(yīng)的電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)4。3.步距細(xì)分的系統(tǒng)構(gòu)成從圖1四相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分電流波形中可以看出，一般情況下總有二相繞組同時(shí)通電。一相電流逐漸增大，另一相逐漸減小。對(duì)應(yīng)于一個(gè)步距角，電流可以變化個(gè)臺(tái)階，也就是電機(jī)位置可以細(xì)分為個(gè)小角度，這就是電機(jī)的一個(gè)步距角被細(xì)分的工作原理。或者說(shuō)，步距角的細(xì)分就是電機(jī)繞組電流的細(xì)分，從而可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)平滑運(yùn)行。圖3步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)是由 PWM 計(jì)數(shù)器、波形ROM 地址計(jì)數(shù)器、PWM 波形ROM 存儲(chǔ)器、比較器、功放電路等組成，如（圖3步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)）所示。

6、其中，PWM 計(jì)數(shù)器在脈寬時(shí)鐘作用下遞增計(jì)數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性的鋸齒波，同時(shí)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(dāng)PWM 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于波形ROM 輸出數(shù)值時(shí)，比較器輸出低電平；當(dāng)PWM 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大于波形ROM 輸出數(shù)值時(shí)，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(jìn)電機(jī)8 細(xì)分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻細(xì)分電流波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)值存放于波形ROM 中，波形ROM的地址由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作/停止?fàn)顟B(tài)。FPGA

7、產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制各功率管驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中PWM 信號(hào)隨ROM 數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號(hào)的占空比，達(dá)到限流及細(xì)分控制，最終使電機(jī)繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實(shí)現(xiàn)步距細(xì)分的目的。輸出細(xì)分電流信號(hào)采用FPGA 中LPM_ROM 查表法，它是通過(guò)在不同地址單元內(nèi)寫(xiě)入不同的PWM 數(shù)據(jù)，用地址選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。3.1電路原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)圖3設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的原理圖，通過(guò)FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)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(chǔ)器的波形圖。圖3.1 步進(jìn)電機(jī)PWM細(xì)分控制電路圖圖3.2 是PWM波形RO

8、M存儲(chǔ)器的波形圖3.4 PWM波形ROM存儲(chǔ)器圖3.3 是圖3.1中的cmp3模塊圖4.細(xì)分電流信號(hào)的實(shí)現(xiàn)從LPM_ROM 輸出的數(shù)據(jù)加在比較器的A 端，PWM 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值加在比較器的B 端，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于ROM 數(shù)據(jù)時(shí)，比較器輸出低電平；當(dāng)計(jì)數(shù)值大于ROM 數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)計(jì)數(shù)周期中高低電平的比例。圖3.1中的PWM 計(jì)數(shù)器（CNT8）將整個(gè)PWM 周期4 等份。5.系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.1系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5是四相步進(jìn)電機(jī)仿真波形圖，給出了步進(jìn)電機(jī)從AABBBC工作過(guò)程的仿真波形。在圖中展示了FPGA 控制步進(jìn)電機(jī)的情況。LPM_ROM

9、輸出的16 位數(shù)據(jù)p15.0為八進(jìn)制數(shù)據(jù)，作為步進(jìn)電機(jī)各相電流的參考值，每4 位二進(jìn)制數(shù)值控制一相，分別用于控制步進(jìn)電機(jī)A、B、C、D 四相的工作電流。對(duì)于每一相來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為0 時(shí)，該相電流為0；輸出數(shù)據(jù)為1 時(shí)，脈寬高電平占一個(gè)PWM 周期的1/4；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為2 時(shí)，脈寬高電平占一個(gè)PWM 周期的2/4；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為4 時(shí)，整個(gè)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(jìn)脈沖，p15.0為L(zhǎng)PM_ROM 輸出數(shù)據(jù)。圖5 步進(jìn)電機(jī)PWM仿真波形圖5.2系統(tǒng)的結(jié)果分析從仿真波形

10、圖5中可以看出，首先，步進(jìn)電機(jī) A 相導(dǎo)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(guò)度到AB 相導(dǎo)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(jī)中的磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)4 拍從A 相轉(zhuǎn)到了AB 相，再經(jīng)過(guò)4 拍從AB 相轉(zhuǎn)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(guò)了8 拍，實(shí)現(xiàn)了步距角的8 級(jí)細(xì)分。LPM_ROM 輸出數(shù)據(jù)p15.0的變化近似于正弦信號(hào)的包絡(luò)，使各相的輸出電流Y3Y1 按照正弦規(guī)律均勻變化。由于步進(jìn)

11、電機(jī)是電感性負(fù)載，對(duì)輸出的PWM 電流具有平滑濾波作用，對(duì)電機(jī)線圈起作用的是PWM 的平均電流，同時(shí)輸出信號(hào)中的細(xì)小毛刺也被濾除。6、細(xì)分驅(qū)動(dòng)性能的改善試驗(yàn)測(cè)定顯示，在線性電流的驅(qū)動(dòng)下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的微步進(jìn)是不均勻的，呈現(xiàn)出明顯的周期性波動(dòng)。磁場(chǎng)的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復(fù)是導(dǎo)致微步距角周期性變化的根本原因。同時(shí)，不可避免的摩擦負(fù)載(摩擦力矩是不恒定的，或者說(shuō)在一定范圍內(nèi)也是不確定的)以及其它負(fù)載力矩的波動(dòng)導(dǎo)致失調(diào)角出現(xiàn)不規(guī)則的小變動(dòng)或小跳躍，也使微步距角曲線在周期性波動(dòng)上出現(xiàn)不光滑的小鋸齒形。步進(jìn)電機(jī)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(huì)造成

12、每一細(xì)分步的步距角不均勻，從而影響步距精度。為此在設(shè)計(jì)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(jìn)細(xì)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(jié)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，要使步進(jìn)電機(jī)細(xì)分后獲得均勻的步進(jìn)轉(zhuǎn)角，其 PWM 驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)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(jìn)行適當(dāng)選擇，使每一步的電流增加量接近正弦波，并根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)角作了適當(dāng)調(diào)整。由于PWM 的輸入時(shí)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(shí)間間隔相等，轉(zhuǎn)角近似均勻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行均勻細(xì)分,有效地控制步進(jìn)電機(jī)。8.參考文獻(xiàn)1張志利. 步進(jìn)電機(jī)超高分辨率細(xì)分控制函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J . 微特電機(jī),2001 ,29 (1) :10 - 13.2林海波. 基于AT89C51