周 磊，成開友

（鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城224051）

1 引言

步進電機在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其本身接受數(shù)字脈沖控制。常見的四相步進電機細分控制主要是通過控制步進電機相電流按階梯波變化來實現(xiàn)的。這種細分控制方法存在步距角不均勻、步進電機轉(zhuǎn)矩不是恒定變化等缺點。為了克服這種控制方法的缺點，只要同時控制四相步進電機的兩相電流分按正余弦規(guī)律變化即可。設(shè)計在FPGA中構(gòu)建了一個SOPC（Programming System On Chip，片上可編程系統(tǒng)）系統(tǒng)實現(xiàn)了該改進的控制算法。

SOPC技術(shù)做為一種SOC（System on Chip，片上系統(tǒng)）解決方案，以其特有的軟硬件系統(tǒng)可裁減、實現(xiàn)容易、成本低、集成度高等特點顯現(xiàn)了強大的生命力。采用SOPC技術(shù)來實現(xiàn)細分控制信號輸出不僅提高了步進電機控制系統(tǒng)的集成度和可靠性，而且大大降低了控制系統(tǒng)的成本，具有一定的商業(yè)推廣價值。

2 步進電機細分驅(qū)動的基本原理

常見的步進電機的細分驅(qū)動主要是通過控制步進電機的相電流按階梯變化來實現(xiàn)的，如圖1所示為相電流階梯變化細分控制。相電流階梯變化時產(chǎn)生的合成的旋轉(zhuǎn)磁場的大小變化，與步進電機的轉(zhuǎn)矩成正比。由于旋轉(zhuǎn)磁場矢量的大小不是一個恒定值，所以步進電機的轉(zhuǎn)矩也不是一個恒定值；另外相電流的線性增加和減少使得步進電機的步進角亦不是恒定的。

圖1 相電流階梯變化細分控制

如圖2所示為兩相電流正余弦變化的細分控制。由圖2可以看出，只要同時控制步進電機的兩相輸入電流分別按正余弦規(guī)律變化，則合成磁場的大小變化是恒幅的，且步進角是恒定的。圖1、2只畫出了四分之一周的矢量圖，其余四分之三周的與此相似。系統(tǒng)只要輸出兩路按正余弦規(guī)律變化的電流波形，然后通過一個波形分配器分配給相應(yīng)的相線圈即可。

圖2 兩相電流正余弦變化的細分控制

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

為了實現(xiàn)圖2所示的細分驅(qū)動，要求四相步進電機A、B兩相的激勵電流iA、iB分別按公式（1）、（2）變化，θ為磁場矢量和B相磁場矢量之間的夾角，即：

對步進電機一般都是通過PWM電壓脈沖來控制的。相線圈對輸入的PWM電壓波形具有平滑作用，即線圈的輸入電流與PWM波形脈沖的面積成正比。因此，要想得到公式（1）、（2）的相電流，就要求A、B兩相的PWM的矩形脈沖面積按正余弦規(guī)律變化。PWM波形是幅值不變的矩形脈沖，因此只要控制PWM波形的占空比按照正余弦規(guī)律變化即可。在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的步進電機對占空比數(shù)據(jù)進行微調(diào)。

由圖2可知，系統(tǒng)需要同時輸出兩路PWM波形，因此系統(tǒng)的硬件部分由NiosⅡ軟核CPU配以相應(yīng)的輸入和顯示接口IP核，然后添加兩個基于Avalon總線接口的VHDL編寫的PWM組件IP核構(gòu)成，如圖3所示。系統(tǒng)的頂層視圖如圖4所示，主要由鎖相環(huán)模塊pll_do、niosⅡCPU模塊和波形分配器模塊pha_cha_con組成。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分采用可移植、固化和裁減的占先式實時多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)—MicroC/OSⅡ。綜合考慮了PWM波形的頻率對步進電機運行的影響以及采樣位數(shù)和深度對PWM波形頻率的影響，折衷確定了PWM占空比采樣深度為15位，四分之一周期的正弦波采樣點數(shù)為513點，單區(qū)間磁場矢量細分步數(shù)為512步，那么轉(zhuǎn)子齒數(shù)為5個的四相步進電機最大的細分步數(shù)可以確定為10240步。

fPWM為PWM波形的頻率；fclk為NIosⅡ系統(tǒng)的時鐘頻率，設(shè)定為100 MHz；CR為PWM周期寄存器值，由于采樣深度為15位，相應(yīng)的采樣最大值為215-1，故而CR的值就設(shè)定為采樣最大值。PWM波形占空比數(shù)據(jù)按照公式（3）進行采樣，PWM波形頻率按照公式（5）計算約為3.05 kHz。

系統(tǒng)以全局變量sin_cos［513] 來存儲PWM占空比正弦數(shù)據(jù)，余弦的數(shù)據(jù)可根據(jù)公式（4）來得到。系統(tǒng)編寫了5個進程：初始化進程initialize_task；鍵盤處理進程key_do；步進間隔時間修改進程time_interval_do；占空比取值步數(shù)修改進程step_change；修改PWM組件占空比寄存器進程pwm_do_fix。郵箱mail_send_pwm_date負責(zé) key_do進程和step_change進程之間的通信，mail_subdivide_tran郵箱負責(zé)step_change進程和pwm_do_fix進程之間的通信。

5 仿真結(jié)果與分析

如圖5所示為320步細分時步進電機連續(xù)運行的ModelSim仿真結(jié)果。A相和B相的PWM波形完全符合公式（1）、（2）的要求。

系統(tǒng)最終實現(xiàn)了基于SOPC的四相步進電機“兩相電流正余弦變化的細分控制”以及 10240、5120、2560、1280、640、320、160、80、40、20 步可調(diào)，并實現(xiàn)最大可調(diào)步進間隔時間為59分59秒999毫秒。而經(jīng)過簡單的調(diào)整，利用同樣的思路完全可以實現(xiàn)對任意步進電機細分控制。

圖4 系統(tǒng)頂層視圖

圖5 細分步數(shù)為320步時步進電機連續(xù)運行的仿真波形

［1] 潘 松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2007：357-365.

［2] 潘 松，黃繼業(yè)等.SOPC技術(shù)使用教程［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2004.

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［4] 郭書軍等.嵌入式處理器原理及應(yīng)用-Nios系統(tǒng)設(shè)計和C程序設(shè)計［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2007.

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