王天放，賈 楠，彭如意，呂建工，彭吉龍，付利平

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京　100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京　100049）

基于FPGA步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)

王天放1，2，賈 楠1，彭如意1，2，呂建工1，彭吉龍1，付利平1

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

現(xiàn)代衛(wèi)星載荷的探測(cè)功能日益強(qiáng)大，電機(jī)等活動(dòng)部件在衛(wèi)星載荷上的應(yīng)用也日漸廣泛。星上電機(jī)壽命和可靠性是制約衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌正常工作的主要因素之一，因此星上電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足使用要求的同時(shí)，還需充分考慮到壽命和可靠性要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的二相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，采用細(xì)分控制方法，提高控制精度，抑制低頻振動(dòng)。除此之外設(shè)計(jì)加速過(guò)程，保證電機(jī)可靠啟動(dòng)；采用大電流停止，保證電機(jī)迅速停止；靜止時(shí)使用小電流保持。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試證明，該系統(tǒng)具有功耗低、起停穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分控制；FPGA；PWM

隨著現(xiàn)代衛(wèi)星載荷探測(cè)功能日益增強(qiáng)，對(duì)電機(jī)等活動(dòng)部件的壽命與可靠性提出更高要求。步進(jìn)電機(jī)自身具有體積小、質(zhì)量輕、易于控制、誤差不積累、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適合充當(dāng)星上載荷活動(dòng)部件。本文中使用一款兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)步距角為 1.8°。為進(jìn)一步提高電機(jī)綜合性能，通常使用一些控制方法控制電機(jī)運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制是一種上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的電機(jī)控制技術(shù)，可顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能，提高控制精度，抑制低頻振蕩，充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)作為優(yōu)良開(kāi)環(huán)組件的優(yōu)勢(shì)。

文中設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的二相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，使用LMD18200作為橋式驅(qū)動(dòng)芯片，SG1525作為脈寬調(diào)制芯片，采用8細(xì)分方式。測(cè)試證明該系統(tǒng)具有功耗低、起停穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1　細(xì)分控制理論簡(jiǎn)介

細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)是將全步進(jìn)驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角的各相的電流以階梯狀n步逐漸增加[1]，由于電磁力矩與電流相關(guān)，通過(guò)減小繞組電流突變，就能減小電磁力矩突變。細(xì)分技術(shù)使步進(jìn)電機(jī)步距細(xì)分，分辨率提高，振動(dòng)、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題得到很大改善，運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)[2]。獲取細(xì)分階梯波形一般采用電流矢量橫幅均勻旋轉(zhuǎn)法，對(duì)于二相混合型步進(jìn)電機(jī)，為得到細(xì)分控制效果，控制兩相繞組電流大小，使其矢量疊加后幅值基本保持恒定。

本文采用二相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分控制，即在整步運(yùn)行的每?jī)蓚€(gè)階段中插入7個(gè)中間狀態(tài)，從而將一個(gè)步距角分成8 步[3]。具體表現(xiàn)為兩相繞組中通過(guò)相差90°相位的兩相正弦波形的繞組電流[4]。參考電平與方向信號(hào)如圖1所示，其中參考電平與繞組中電流波形對(duì)應(yīng)，方向信號(hào)與繞組電流流向?qū)?yīng)，二者結(jié)合，就能得到兩相相位相差90°的正弦波形。對(duì)于7個(gè)中間狀態(tài)參考電平的選擇，應(yīng)滿足正弦函數(shù)，保證電流矢量疊加后幅值恒定。

圖1　兩相參考電平與方向信號(hào)Fig.1　The reference levels and signals of direction of two phases

2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

目前步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要采用集成全橋驅(qū)動(dòng)芯片。文中選用的全橋集成驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200，該芯片具備完善的邏輯控制功能和芯片保護(hù)功能，工作電壓高達(dá)55 V，峰值輸出電流高達(dá)6A[5]，只需方向信號(hào)與PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)，就可以控制芯片內(nèi)部DMOS管通斷，從而改變電機(jī)每相電流大小和方向。

2.1PWM信號(hào)發(fā)生

PWM是脈沖寬度調(diào)制的簡(jiǎn)稱，是一種將占空比變化的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量的技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)作為感性負(fù)載，PWM信號(hào)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管通斷，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)電流連續(xù)變化，因此只要提供占空比變化的PWM信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)電流細(xì)分變化。具體情況見(jiàn)圖2，當(dāng)PWM信號(hào)處于ton時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電流持續(xù)上升；當(dāng)信號(hào)處于toff時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，電流下降。當(dāng)固定占空比的PWM信號(hào)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，電流在某一固定值附近波動(dòng)。

圖2　PWM信號(hào)與電流關(guān)系Fig.2　The relationship between PWM signal and current

PWM信號(hào)產(chǎn)生方法主要有軟件和硬件兩種，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)可采用SPWM法（正弦函數(shù)脈寬調(diào)制法，此方法也可以通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)），即使用固定頻率的三角波形與正弦波形的交點(diǎn)作為PWM信號(hào)的導(dǎo)通點(diǎn)或截止點(diǎn)。如圖3所示，三角波形與階梯波形較，當(dāng)三角波形電壓高于階梯波形電壓時(shí)，輸出低電平，否則輸出高電平，這樣得到PWM信號(hào)。如果使用細(xì)分控制方法，就用細(xì)分階梯波形代替正弦波形。軟件直接產(chǎn)生PWM信號(hào)，電路較簡(jiǎn)單，但程序相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)也不利于長(zhǎng)線傳輸（長(zhǎng)線傳輸造成波形畸變，占空比不穩(wěn)定）。

圖3　SPWM正弦函數(shù)脈寬調(diào)制法示意圖Fig.3　Schematic diagram of SPWM

硬件產(chǎn)生PWM信號(hào)通常使用集成PWM控制芯片作為波形發(fā)生器。該方法雖然需要更多元件，但軟件程序簡(jiǎn)單，適宜長(zhǎng)線傳輸，能更好保證系統(tǒng)可靠性。本文選用SG1525集成脈寬調(diào)制控制芯片產(chǎn)生PWM波形，該芯片內(nèi)含欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比[6]。對(duì)于SG1525芯片，電平由正輸入端輸入，輸出引腳與負(fù)輸入端相連，形成反饋，這樣輸入電平高低決定了輸出PWM波形的占空比，同時(shí)電容與電阻值選取決定PWM波形頻率。SG1525輸入電平由串行DA——TLV5638給出，輸入?yún)⒖茧娖脚cSG1525輸出占空比之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4　SG1525輸入電壓與占空比關(guān)系Fig.4　The relationship between input voltage and duty ratio of SG1525

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上描述設(shè)計(jì)硬件電路，設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖5。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，F(xiàn)PGA控制板與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板分開(kāi)。FPGA輸出控制信號(hào)通過(guò)OC門驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)電纜進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，再經(jīng)過(guò)緩沖器對(duì)波形整形，驅(qū)動(dòng)串行DA（TLV5638）與集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（LMD18200），串行DA為PWM發(fā)生器（SG1525）提供細(xì)分參考電平，最終由集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生兩相驅(qū)動(dòng)電流，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。位置傳感器獲取位置信號(hào)，由FPGA采集，作為控制電機(jī)起停的依據(jù)。

3　FPGA電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

FPGA程序提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中包括直接為L(zhǎng)MD18200提供兩路方向信號(hào)，為串行DA提供片選、分頻時(shí)鐘及數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)串行DA后轉(zhuǎn)換成參考電平。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制，參考電平以細(xì)分階梯波形式給出，如圖1所示為兩相八細(xì)分參考電平與方向信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)有啟動(dòng)頻率限制，當(dāng)實(shí)際頻率大于啟動(dòng)頻率時(shí)，電機(jī)不能成功啟動(dòng)，造成堵轉(zhuǎn)，因此軟件設(shè)計(jì)必須保證初始頻率小于啟動(dòng)頻率，因此包含加速過(guò)程，逐步達(dá)到正常轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)接收到位置傳感器信號(hào)后停止，這里沒(méi)有采用減速曲線的方案，直接使用較大電流持續(xù)一段時(shí)間，使電機(jī)靜止。靜止時(shí)，電機(jī)繞組上通較小電流，保持電機(jī)靜止不晃動(dòng)。

圖5　硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.5　Block diagram of hardware design

電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件使用VHDL硬件編程語(yǔ)言編寫，主要分為DETECT、CONTORL和DRIVE 3個(gè)模塊 （模塊劃分及接口見(jiàn)圖6）。當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)指令發(fā)出，由CONTROL模塊負(fù)責(zé)接收，并根據(jù)當(dāng)前位置，分配驅(qū)動(dòng)方式，并發(fā)送信號(hào)FIND啟動(dòng)電機(jī)。模塊DRIVE接收到啟動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入加速狀態(tài)，當(dāng)加速到正常運(yùn)行頻率，保持速度不變。同時(shí)DETECT模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位置傳感器信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置，向CONTROL模塊發(fā)送信號(hào)EDGE，隨后CONTROL模塊發(fā)送信號(hào)FIND，使DRIVE跳轉(zhuǎn)到剎車狀態(tài)。過(guò)一段時(shí)間，DRIVE模塊進(jìn)入電流保持狀態(tài)，并向CONTROL模塊反饋STOP信號(hào)，CONTROL模塊對(duì)外發(fā)送當(dāng)前位置信息LOCATION，并等待下一驅(qū)動(dòng)指令。

圖6　軟件模塊與接口設(shè)計(jì)Fig.6　Software module and design of interface

4　系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試主要包括運(yùn)行電流測(cè)試與電機(jī)停止穩(wěn)定性測(cè)試。

運(yùn)行電流測(cè)試使用示波器探頭監(jiān)測(cè)LMD18200電流管腳，獲得繞組電流。此外在繞組中串聯(lián)1歐姆電阻，測(cè)量該1歐姆電阻兩端電壓，求差獲取電阻兩端電壓差值。測(cè)試得到波形如圖7所示。

圖7　電機(jī)運(yùn)行電流測(cè)試Fig.7　Current test when motor is running properly

電機(jī)停止?fàn)顩r測(cè)試使用16位光電編碼器作為角度傳感器，通過(guò)聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與光電編碼器連接，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量角度。角度值通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)，解碼得到角度值。通過(guò)實(shí)際測(cè)得電機(jī)剛停止時(shí)角度與時(shí)間關(guān)系，可知由于沒(méi)有采用減速曲線，而使用增大電流的方式使電機(jī)停止，晃動(dòng)不可避免，但電機(jī)在40毫秒內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制方法，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA二相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，并通過(guò)測(cè)試對(duì)其運(yùn)行電流與停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，能實(shí)現(xiàn)加速啟動(dòng)，能在任意位置穩(wěn)定起停，且功耗較低，適用于星載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

[1]坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[2]譚建成.電機(jī)控制專用集成電路[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3]史敬灼.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

[4]桑鵬，呂建工，彭吉龍，等.步進(jìn)電機(jī)變速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（22）:155-158.

[5]張軍，葛悅，劉超.一種高效的兩相步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（8）:2130-2132.

[6]陶凱，賴康生.基于PWM控制H橋驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片的恒溫系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013，26（4）:131-133.

Stepper motor subdivision control system based on FPGA

WANG Tian-fang1，2，JIA Nan1，PENG Ru-yi1，2，LV Jian-gong1，PENG Ji-long1，F(xiàn)U Li-ping1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The capability of the modern payloads on satellite is getting stronger and stronger，and the motor has been used widely.The life and reliability of the motor equipped on satellite would be the main characters that restrict long-time work of the satellites.So the design of motor system on satellites should be not only satisfied with the application requirements，but also the requirements of life and reliability should be fully taken into account simultaneously.In this paper，a two-phase hybrid stepper motor control system based on FPGA is introduced.In order to improve control accuracy and suppress low-frequency vibration，the system was designed based on subdivision control method and an acceleration process was designed to ensure that motor started properly.Large current was used to stop the motor quickly and small current was used to keep the motor motionless.The test results showed that this system has the advantages of low-power consumption，starting and stopping steadily.

stepping motor；subdivision control；FPGA；PWM

TM384；TN709；TN492

A

1674－6236（2016）01-0121-03

2015-03-06稿件編號(hào)：201503085

王天放（1989—），男，河北滄州人，碩士研究生。研究方向：空間探測(cè)技術(shù)電子學(xué)方向，包括光電探測(cè)器件應(yīng)用研究、微電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法研究、FPGA和單片機(jī)開(kāi)發(fā)等。