鄭悅 侯超 陳偉

摘要：為了提高航天器的抗單粒子效應(yīng)，提高可靠性，本文基于正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理、在宇航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器常用的三種驅(qū)動(dòng)電路下，采用反熔絲型FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，為后續(xù)工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；反熔絲FPGA

中圖分類號：TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0026-03

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了細(xì)分技術(shù)，利用細(xì)分技術(shù)可以使步進(jìn)電機(jī)實(shí)際的步距角變得更小，大大提高機(jī)構(gòu)的控制精度以及速度穩(wěn)定度，還可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等問題[1]。本文針對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中最常用的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，從對步進(jìn)電機(jī)的常用驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法出發(fā)，采用正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用反熔絲FPGA在三種不同驅(qū)動(dòng)電路下完成了對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)工作原理

繞組通電一次的操作為一拍，轉(zhuǎn)子每拍走一步，即通電一次轉(zhuǎn)子走一步，走過一個(gè)步距角，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角表達(dá)式如下式（1）所示：

電機(jī)要想走過一個(gè)完整的周期，就要實(shí)現(xiàn)4次換相通電，由于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)只有兩相，所以需要對某一相進(jìn)行正反操作，其通電方式十分簡單，只要A、B相繞組按照一定的通電方式輪流通電即可。具體的通電方式如表1所示。

2 正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理

為了提高步進(jìn)電機(jī)的速度穩(wěn)定度，一般都采用正弦多細(xì)分技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能。細(xì)分技術(shù)是每次通電時(shí)電流的幅值不是一次升到位，而是分成若干級，逐級上升，斷電時(shí)也是逐級下降到0，這樣可以使轉(zhuǎn)子在原有步距角范圍內(nèi)有多個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，使繞組電流成階梯狀。這樣當(dāng)電流每升高或下降一個(gè)階梯時(shí)，轉(zhuǎn)子都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一小步，當(dāng)走過若干個(gè)微步時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)過了一個(gè)步距角。圖1為兩相四拍步進(jìn)電機(jī)的電流波形圖示意圖，Ia為步進(jìn)電機(jī)的A相繞組電流，Ib為步進(jìn)電機(jī)B相繞組電流。dir_a和dir_b分別為A繞組和B繞組電流極性控制信號，波形從0至2π為電機(jī)正轉(zhuǎn)，則從2π至0為電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 三種驅(qū)動(dòng)電路下FPGA的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

細(xì)分值與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為，步距角為，每拍細(xì)分?jǐn)?shù)為，那么每個(gè)細(xì)分點(diǎn)的間隔時(shí)間為，表達(dá)式如下：

時(shí)鐘晶振頻率為，那么細(xì)分間隔計(jì)數(shù)器寄存器的值可由下式計(jì)算得到：

3.1 正弦細(xì)分的恒流驅(qū)動(dòng)

3.1.1 正弦細(xì)分恒流驅(qū)動(dòng)原理

恒流驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)點(diǎn)占用控制電路資源較少，驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定，分立器件質(zhì)量等級高，可靠性也較高。缺點(diǎn)是使用分立器件驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，單機(jī)功耗高，發(fā)熱量大。單相繞組的驅(qū)動(dòng)H橋電路如圖2所示：

圖2中的驅(qū)動(dòng)電路是由4個(gè)MOSFET管（V1～V4）組成的H橋電路，U1、U2為電流極性控制輸入端，通過控制U1和U2來控制4個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而控制電機(jī)繞組的電流方向。當(dāng)U1為正，U2為負(fù)時(shí)，電機(jī)電流由V1→電機(jī)繞組→V4→RS，反之當(dāng)U1為負(fù)，U2為正時(shí)，電機(jī)電流由V2→電機(jī)繞組→V3→RS。同時(shí)虛線框中D/A與比較器D1以及電流放大器和采樣電阻RS構(gòu)成了一個(gè)壓控恒流源電路，F(xiàn)PGA通過控制D/A輸入端的信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組上的電流的特定控制。

3.1.2 設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

FPGA實(shí)現(xiàn)如圖3所示，速度查找細(xì)分間隔值模塊中不同速度所對應(yīng)的細(xì)分間隔值可以根據(jù)公式（2）、（3）計(jì)算得到。根據(jù)預(yù)置方向，結(jié)合表1產(chǎn)生繞組極性信號。其中AD_a[7：0]、AD_b[7：0]分別為A、B繞組的D/A轉(zhuǎn)換器的細(xì)分電壓值數(shù)字輸入信號，這兩路信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后分別加到電機(jī)A/B繞組的兩端。dir_a[1：0]、dir_b[1：0]分別為A、B繞組的極性控制信號，分別控制著A/B繞組的電流方向，具體的仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2 基于MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2110PWM斬波驅(qū)動(dòng)

3.2.1 基于PWM脈寬調(diào)制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

基于MOSEFET專用集成電路組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路可以解決傳統(tǒng)的H橋電路的散熱問題，使熱耗分布均勻，并且其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，適合在航天上應(yīng)用。單相繞組的驅(qū)動(dòng)H橋電路入圖5所示。一相繞組需要兩片IR2110來控制，每片IR2110控制H橋一側(cè)的上下橋臂，F(xiàn)PGA產(chǎn)生PWM控制信號，經(jīng)過IR2110MOSFET驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)行放大，控制MOSFETQ1～Q4的導(dǎo)通與截止，進(jìn)而產(chǎn)生繞組電流。

3.2.2 設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

采用單極性控制，PWM_A_H1，PWM_A_L1與PWM_A_H2，PWM_A_L2分別為控制Q1～Q4MOSEFT器件導(dǎo)通的控制信號，即經(jīng)過細(xì)分?jǐn)夭ê蟮腜WM信號。PWM_A_H1與PWM_A_L1控制信號是互補(bǔ)的，同樣PWM_A_H2與PWM_A_L2也是互補(bǔ)的。當(dāng)圖5中的電機(jī)繞組中電流方向?yàn)?時(shí)，那么四個(gè)開關(guān)管的控制信號波形為圖6（a），若電流方向?yàn)?時(shí)，控制信號波形為圖6（b）。圖中Δt為死區(qū)時(shí)間。預(yù)置速度計(jì)算通過公式（2）、（3）計(jì)算得到。FPGA實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖7。其中PWM_A[3：0] 為控制A相繞組的H橋四個(gè)橋臂的輸入控制信號。PWM_B[3：0]為B相繞組的H橋的控制信號，仿真結(jié)果如圖8所示：

3.3 基于LMD18200組件的PWM斬波驅(qū)動(dòng)

LMD18200是專門用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的集成芯片，內(nèi)部包含了由四個(gè)DMOS管組成的一個(gè)H型驅(qū)動(dòng)橋及CMOS控制電路?；谠摷尚酒目刂齐娐泛唵?，一個(gè)LMD18200可以控制兩相繞組，所以一個(gè)芯片就可以控制一臺兩相四拍步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示，DIR_A和DIR_B分別為A、B繞組的極性控制信號， PWM_A與PWM_B為控制A＼B繞組的電壓的斬波輸入信號，F(xiàn)PGA具體的實(shí)現(xiàn)原理與圖7類似，只不過一相繞組只需產(chǎn)生1路PWM控制信號，由芯片內(nèi)部自動(dòng)完成內(nèi)部H橋電路的導(dǎo)通與截止。FPGA實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果如圖10所示。

4 三種實(shí)現(xiàn)方式的比較

本文的三種實(shí)現(xiàn)方案均基于Actel公司的A54SX72ACQ208的7.2萬門反熔絲FPGA芯片，開發(fā)環(huán)境為Liberal IDE， FPGA工作頻率為24MHZ，正弦細(xì)分?jǐn)?shù)為256，三種實(shí)現(xiàn)方案比較如表2所示：

5 結(jié)語

本文針對不同的驅(qū)動(dòng)電路，用反熔絲FPGA采用正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)對機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)，基于反熔絲FPGA的實(shí)現(xiàn)即可提高了航天器的抗單粒子反轉(zhuǎn)能力，又可以減小電路板面積，提高產(chǎn)品集成度，適應(yīng)航天器產(chǎn)品的更小、更輕化發(fā)展[3]。針對航天的空間輻照環(huán)境及高可靠性特點(diǎn)，以上三種實(shí)現(xiàn)方案對于航天產(chǎn)品具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值，供工程研制參考。

參考文獻(xiàn)

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