基于FPGA控制的步进电机驱动设计

kenson

引言

& g# i; b! r* P$ y: ]0 R; u* h        步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Stepping motor、Pulse motor 或Stepper servo，就是一种离散运动的装置,步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。步进电机具有快速起停、精确步进和定位等特点，可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。VHDL语言作为硬件描述语言是目前国内外数字系统的主流设计语言，是现代电子技术发展的重要依托之一，能够较方便地驱动步进电机。
7 h$ F( t' y' |- S# T
  o3 ~  `7 i  h' I5 d* I. C+ C; L7 Z        步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。设计电机的驱动主要有三个任务:其一,控制步进电机如何转，转多少角度；其二,如何给步进电机提供工作电压，其工作电压与数字电平不相容，不能够直接用数字电路的工作电压来提供；其三,消除按键抖动,避免误动作。理解步进电机的工作原理对我们完成设计任务有着重要的作用。
, A3 k) M0 s+ w" g% v$ v+ c
, N. N# D. p& x3 W) {$ g1、二相步进电机的结构及驱动原理
/ D% t5 R) P1 Q2 x' m7 A
3 P8 ]1 N) n$ O1 E+ |         步进电动机由定子和转子两大部分组成。如图1，从结构上看，它的定转子上有齿槽与反应式步进电机相似，铁心内孔表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。一般电机上电后环分器输出的第一拍用于将电机转子按磁导最大的原则牵入稳定零位。从第二拍起，电机开始跟踪环分器输出的通电方式运行。不同的通电方式，对步进电动机的性能有着不同的影响。

! N  U- @. s# c7 `        电机工作时，当有一相绕组通电，例如A相通电时，电动机内建立以Aa为轴线的磁场，在磁路磁导的作用下使转子处于A相极下定转子齿对齿的位置。其工作过程如图1所示。

( [; P- ?) E- A; {
7 b! @+ z( F  b4 n

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095021453.jpg

% E, J- a! V) L4 ?8 h
        步进马达的激磁方式有1相激磁、2相激磁及1-2相激磁的方法，其激磁方式如图2。本论文讨论的通电状态有：
# g8 f0 H+ p2 b; O; f5 N2 m, D' {
* p' q+ |/ I  U         ① 单相轮流通电方式：每次切换前后只有一相绕组通电。特点：在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。如：二相单四拍 A→B→a→b。
+ v9 O1 \& H8 H! n9 u
. \/ O& ]0 G: M$ Q         ② 双相轮流通电方式：每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。如：二相双四拍：AB→Ba→ab→Ba。

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095123625.jpg

- W; C2 |* Q4 Y" \# p! t
, c/ X4 L* f" B; g! ?; m8 C        ③ 单双相轮流通电方式：上述两种通电方式的组合。如：二相八拍：A→AB→B→Ba→a→ab→b→Ba，经过八拍完成一个循环，步距角为二相单四拍或二相双四拍的一半。
  \* S# E1 s; _5 K2 o/ a4 U$ m
        1-2相激磁的步进角度可得到原来1相激磁的两倍，也就是说可以做比较精密的控制，而2相激磁的转距为1相激磁的两倍，而且旋转时的特性也比1相激磁的还要好，可是比较耗电。该论文就是根据以上理论来实现对两相步进电机的控制。
, E6 B3 f( y0 h4 M; t
) r% `& }7 w% m  K. [* I9 [/ @% @2 S9 S2、系统硬件总体设计
& G  Q1 A. \0 X& K7 ^( l
  w+ u2 U0 W, w6 u- L        本系统采用交－直－交电压型电路，分为主电源电路和控制电路两大块。主电源电路主要有整流桥、滤波电容及IPM功率模块组成；控制电路以FPGA芯片为核心，包括电流检测电路、驱动电路及保护电路。系统硬件框图如图3所示。
: e+ {7 `( z+ _% y! ^( O2 o/ d

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095223375.jpg

" w" |0 N! ?% x: o* q
2.1 主控制模块
1 R* E6 s2 Q2 h8 u
, R. ^& [& Z' ^% O  ]        本论文采用VHDL代码来控制步进电机工作，通过拨码开关使其正转、反转；通过按下相应的按键开关使其旋转相应的角度。

0 F2 B) G# H4 `( D) [8 m: T         实验中，我们使用的是56BYGH842型二相混合式步进电机，四拍时每个旋转角度为1.8 度，其正向转动的时序如图2(a)所示每个脉冲控制其转过1.8 度,反向控制时序如图2(b)所示。八拍时每个旋转角度为0.9 度，其时序如图2(c)所示。我使用的康芯电子的GW48-PK2型试验箱，其中FPGA芯片是Altera公司的EP1C6芯片，它具有低内核电压、低功耗等特点。芯片内门电路高达1万门，内部使用RAM作为电路结构，速度高达几百MHz。其性能完全满足我们的要求。

% q, n) K" C* ]. E/ X& @         电机综合控制模块的作用就是实现对电机各种激磁的控制，该模块设计思路是根据输入信号的不同选择其相应的CASE块工作，这样的设计思路清晰，电路工作时序有序，程序也健壮。该模块的各个输入输出引角的功能描述如下。

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095352125.jpg

+ v# |$ b0 i8 r7 v! H        Reset为系统复位信号，当Reset为高电平时，输出控制信号baBA为0000,使步进电机停止工作。
" ]' t, {  Y# g
; j6 v9 a0 K" M" j9 F; j        Direction为方向控制信号，当Direction为0时实现步进电机按图3所示的激磁方式工作，当Direction为1时实现步进电机按图3所示激磁方式的相反的时序顺序工作。

8 P& U( S3 C, D5 F        Clock为系统时钟信号，即步进电机的脉冲输入端，每个脉冲驱动步进电机前进，后退一步，脉冲频率即为步进电机运行的速度。
9 ~5 ^" l) N+ C8 v! e6 C
         Initial为初始化使能信号，当Initial为低电平时有效使步进电机停止工作。
9 j1 z, {' W: l8 L# A$ }
+ p. G! d) P2 f5 `) ^        Manner为激磁方式的选择开关，可选择的激磁方式有：Manner为01时选择1相激磁、Manner为10时选择2相激磁，Manner为11时选择1-2相激磁，另外Manner为00时可根据输入信号angle的奇偶来控制所需的输出激磁。

        Angle为步进角的倍数设定输入，它可用来精确控制步进电机的旋转周期baBA为步进电机状态输出。其输出连接到实际的芯片引脚上，以驱动相应的功率驱动电路工作，从而实现步进电机的运转。

& O( [+ q( _& ~! e4 Q3 V, I- y2.2 主控制电路的时序仿真
3 b) o+ i1 l) S1 i5 B) c8 O$ e; q* _
3 K' g6 B" R* B0 L) f# b        如下图6、7、8是四相步进电机在各个激磁方式下的仿真波形图，分别给出了步进电机从A→B→a→b、AB→Ba→ab→Ba、A→AB→B→Ba→a→ab→b→bA工作过程的仿真波形。

          从图6中1相激磁的仿真波形可以看出，首先，步进电机A相导通，B、a、b相截止，baBA[3..0]输出数据为0001，A相输出电平控制功率驱动模块从而控制电机的转动。然后逐渐过度到B相导通，A、a、b相截止，baBA[3..0]输出数据为0010，B相输出电平控制功率驱动模块从而控制电机的转动，以后的状态变化依次循环实现了精确控制。对于2相激磁及1-2相激磁的分析与以上类似。从时序仿真图中可以清楚地看到仿真结果与以上介绍的原理完全相同，得到了验证。
1 M& j, J& a; \0 H0 ~) L

4 Z0 Z5 O  @2 w+ X+ t" e5 _+ C

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095557187.jpg

1 X% J& s( t3 t% r! G, Y
2.3 驱动功放电路及控制回路的设计
( L! n' m2 ~; m- |1 a, g4 Y" ~
6 G3 d; \& }+ ^9 R        系统的主电路采用交－直－交电压型逆变电路形式。不可控整流桥和滤波电容构成直流电压源，完成交流电源到直流电源的变换。逆变器使用的是智能型的IGBT模块，简称IPM模块。它将功率单元，驱动单元，逻辑单元，传感单元，检测单元，保护单元等集成为一体，并且有一批专为750W至1.2kW变速电机驱动应用而设计，因而大大简化了功率放大的设计。

        在电流控制回路中采用了电流传感器IR2175，在IR2175 的高端电路中，交流输入信号被转换成载频为130kHz的PWM 信号，经过电平转换，PWM信号被转换成了以地为参考点的信号。IR2175的PWM 波的占空比的范围是9%~91%，它与IR2175的最大输入电压±260mV是线性关系，当占空比为91%时说明IR2175的输入电压是＋260mV。

2 ^- i3 v7 R; K2.4 光电隔离模块
! |8 T* x4 U! u) H+ \
( z5 S7 n' L0 d8 ]' z        该模块采用了光电耦合器作为隔离接口器件，在电路中我们采用的是高速双路光电耦合器HCPL-2631。其原理图如图9所示。
3 C4 [: P& g* @/ ]1 u

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095726968.jpg

, {4 h8 x* k' Q& V
        共使用6 片，其中由FPGA 传向功率模块使用4 片，由反馈信号传向FPGA 使用2 片。正向光耦将控制数据从FPGA 传送到IPM 输入脚上，包括A、a、B、b和关断保护OC_IN，共5路信号，使用4个光耦；反向光耦将各类测量数据从IR2175传送回FPGA，包括IR2175的PWM 信号、IR2175 的过流信号（两相），共4 路信号，使用2个光耦。
; a. D$ i; F% U2 `: v: q7 g
        FPGA的IO逻辑电压是3.3V，IR2175和IPM模块的IO逻辑电压都是5V，因此光耦两端的电源设计为3.3V/5V。
2 Z. E% \$ |& k$ {# J
3、实验结果

        对实验结果的测试，采用示波器测得在单相轮流通电方式时步进电机正常工作的电流波形见图10，图中的方波1 是电机的相位波形，波形2 是流经电机的工作电流。流经步进电机的工作电流理论设定值=5/(10×1.43)=350MA。流经步进电机的工作电流实测值=71×5MA=355MA。实测值和理论设定值基本吻合，满足设计要求。

: _, o2 Q. w2 T+ A' X

http://www.elenchina.com/sjszs/upload/Image/20080903095803796.jpg

) O* u1 s6 d/ R( T- |) x- M' @        通过测试端口数据的值可以发现在每个具体的工作状态所对应的端口数值与图7中相应激磁方式的仿真波形输出的值对应成比例且循环输出。这符合了设计时的运行规律，在接入步进电机后通过改变Manner可以实现各种激磁方式的控制，这在实际运行中得到了验证。
% n8 H# w, Z- C
3 h  `  R3 ?9 y4、结论

9 }; y9 I' C4 T8 w        通过实际验证和观测实验结果，该设计能够很好地执行任务。本文通过FPGA为核心来控制步进电机得到了较好效果，主要优点有控制器的尺寸小于传统控制器，另外鉴于IP技术的飞速发展可以把电机控制系统做成IP核，从而使得开发人员很容易获得多数通用模块的可复用IP核，减轻了开发人员的负担，缩短了开发周期。当系统需要升级时，也不需要对硬件电路重新设计，只需通过修改中相应模块的配置文件，因此节约了控制器的升级成本。
1 z( f* C8 X) ^  K
参考文献

　　[1] 刘宝廷 程树康等.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨工业大学出版社，1997
7 \" E: F* f& V  J: K　　[2]王紫婷等.EDA技术与应用.兰州大学出版社，2003
　　[3]陈理壁.步进电机及其应用.上海科学出版社，1985
, w' X% E2 l0 |8 _　　[4]江国强. SOPC技术与应用. 机械工业出版社，2006
　　[5]黄诗涛，王晓初，廖永进，徐震，易理告.一种高性能的步进电机运动控制系统设计 [J]，2006年16期45-46
# l+ r! y; ?4 D6 P; q# M　　[6]高钟敏.机电控制工程[M].北京；清华大学出版社，2002
9 J: _/ W5 P0 l0 _0 |4 ^7 L( N. g　　[7]王季秩.电机实用技术[M].上海；上海科学出版社，1998
　　[8]Carrica D O. A novel algorithm for controlling stepper motors at higher speed [J].Journal of Systems and Cntrol Engineering,2003