基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制研究

古玉雪，張小妍，李華忠，何流，蔣文亮

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制研究

古玉雪，張小妍，李華忠，何流，蔣文亮

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

為了解決所選步進(jìn)電機(jī)固有步距角過(guò)大而無(wú)法滿足系統(tǒng)高精度微位移控制要求的問(wèn)題，以細(xì)分控制原理為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)了1種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable G ate A rray,FPG A）的單極性細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有繞組斷線檢測(cè)功能，可在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 rad/s的前提下實(shí)現(xiàn)16或者更高程度的細(xì)分控制。在電路的調(diào)試過(guò)程中，針對(duì)繞組互感問(wèn)題進(jìn)行了研究，在很大程度上降低了繞組互感對(duì)細(xì)分控制精度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的基于FPG A的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路控制精度滿足使用要求。

步進(jìn)電機(jī)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；細(xì)分控制；體二極管；繞組互感

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是1種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。具有易于控制，在帶載能力范圍內(nèi)，其步進(jìn)角度不受驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流的影響，及控制誤差不積累的特點(diǎn)，適合于做控制型電機(jī)。然而，步進(jìn)電機(jī)的固有步矩角較大，在要求高精度微位移的控制場(chǎng)合往往滿足不了控制要求。細(xì)分驅(qū)動(dòng)，在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)對(duì)相電流精確控制，實(shí)現(xiàn)了步距角的細(xì)微化，同時(shí)提高了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性[1-3]。

本文根據(jù)項(xiàng)目選用的4相6線制混合式步進(jìn)電機(jī)，設(shè)計(jì)了1種基于FPGA的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)細(xì)分控制的原理及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，給出了細(xì)分控制的FPGA實(shí)現(xiàn)方案，并就MOS管體二極管、電機(jī)繞組互感對(duì)細(xì)分精度的影響進(jìn)行了討論。

1 細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就己經(jīng)提出，其本質(zhì)是通過(guò)對(duì)相電流的精確控制，使電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)按照某種規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)微化。一般情況下，認(rèn)為合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定電機(jī)力矩的大小，方向的變化決定步進(jìn)角度的大小[4-5]。由于磁場(chǎng)的方向由電流矢量方向決定，磁場(chǎng)的大小由電流的幅值決定，因此以電流的形式進(jìn)行理論分析。

2相通電時(shí)步進(jìn)電機(jī)電流矢量如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)恒力矩均勻細(xì)分，必須保證合成電流的幅值不變，角度均勻變化。為此，2相電流IA、IB必須滿足[6-7]

式中：IA為A相電流；IB為B相電流；IS為額定電流；θ為A、B 2相合成電流矢量與A相電流矢量的夾角；β為A、B 2相電流矢量的夾角。

對(duì)于本文選用的4相混合式步進(jìn)電機(jī)，β=90°，IS=0.5 A。因此，A、B 2相電流的控制規(guī)律可簡(jiǎn)化為：IA=IS×sin θ、IB=IS×cos θ。

圖1 步進(jìn)電機(jī)電流矢量

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)所選電機(jī)的接線形式，設(shè)計(jì)了如圖2所示的主驅(qū)動(dòng)電路，采用上管恒流斬波，下管相序控制的方式，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路由2個(gè)完全相同的部分組成[8-9]。

圖2 步進(jìn)電機(jī)主驅(qū)動(dòng)電路

從圖中可見(jiàn)，+27 V電源經(jīng)過(guò)電源開(kāi)關(guān)后，分別為2部分驅(qū)動(dòng)電路供電，電源開(kāi)關(guān)在電路故障時(shí)，可用于直接切斷電機(jī)；二極管V1-V6起續(xù)流作用，電容Cp1、Cp2用于穩(wěn)壓和儲(chǔ)能；采樣電阻R1、R2結(jié)合比較器、DA給定、驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)上管S1、S2的恒流斬波，可有效降低功耗；根據(jù)第1章中的電流變化規(guī)律改變DA的給定值，即可實(shí)現(xiàn)恒力矩均勻細(xì)分；下驅(qū)動(dòng)MOS管S3-S6用于相序控制，改變通電順序及切換頻率，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)方向和速度的調(diào)節(jié)。

電路工作過(guò)程如下：

某1相通電時(shí)，例如A相通電工作，采樣電阻R1采集的電流值與DA給定相比較，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制S1的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電流的恒流斬波；在斬波的過(guò)程中，當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)，電流經(jīng)A相→S3→R1→V1→A相的路徑進(jìn)行續(xù)流。

換相時(shí)，例如由A相換到B相，S3會(huì)斷開(kāi)，此時(shí)S1可能閉合，也可能斷開(kāi)。當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)，電流充電到電容Cp1；當(dāng)S1閉合時(shí)，電流經(jīng)A相→V3→S1→A相的路徑續(xù)流。

為步進(jìn)電機(jī)的部分主驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中圖3（a）、（b）分別為上管S1的驅(qū)動(dòng)電路和下管S3、S4的驅(qū)動(dòng)電路；圖3（c）為電機(jī)相斷線檢測(cè)電路。電路圖中的網(wǎng)絡(luò)名釋義見(jiàn)表1，STEPCOMAC與STEPA、STEPC通過(guò)電機(jī)的繞組連接在一起。

圖3 部分步進(jìn)電機(jī)主驅(qū)動(dòng)電路

表1 電路圖網(wǎng)絡(luò)名釋義

3 細(xì)分控制邏輯的FPGA實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是1種門電路數(shù)量可以高達(dá)上百萬(wàn)、時(shí)鐘頻率可達(dá)幾百兆的可編程邏輯器件。FPGA是1種可以重復(fù)改變組態(tài)的電路，特別適合產(chǎn)品研發(fā)時(shí)需要不斷變更設(shè)計(jì)的應(yīng)用，與通用DSP解決方案相比，在不犧牲靈活性的條件下，提供了更高的性能。在數(shù)控領(lǐng)域中，F(xiàn)PGA技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[10]。

采用FPGA實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制邏輯，結(jié)構(gòu)如圖4所示[11]。上位機(jī)根據(jù)編碼器反饋的當(dāng)前角度信息計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率（FREQ）、步進(jìn)方向（DIR）、步距角細(xì)分?jǐn)?shù)（RSL）和運(yùn)行步數(shù)（STEP）。在參數(shù)設(shè)置完畢后，給出啟動(dòng)信號(hào)（START）。象限計(jì)數(shù)器根據(jù)所設(shè)置的步距角細(xì)分?jǐn)?shù)、步進(jìn)方向、步進(jìn)頻率和當(dāng)前位置信息計(jì)數(shù)，象限比較器根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行象限判斷，F(xiàn)PGA根據(jù)象限判斷結(jié)果和象限計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)DA給定SIN正弦表進(jìn)行尋址，得到當(dāng)前象限的DA給定值。最終，F(xiàn)PGA根據(jù)DA控制時(shí)序進(jìn)行DA輸出，同時(shí)依據(jù)象限判斷的結(jié)果進(jìn)行A、B、C、D4相相序控制。單步輸出結(jié)束后，步進(jìn)累加器進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，并送入比較器比較，當(dāng)累加器計(jì)數(shù)值與當(dāng)前設(shè)置值一致時(shí)，運(yùn)行結(jié)束。

圖4 細(xì)分控制邏輯的FPGA實(shí)現(xiàn)

4 相關(guān)問(wèn)題討論

在細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路研制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)MOS管體二極管和電機(jī)繞組之間的互感對(duì)細(xì)分控制的精度影響很大，下面對(duì)這2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。

4.1 MOS管體二極管的影響

進(jìn)行斷線檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，不論電機(jī)繞組是否斷線，均指示電機(jī)相斷線。通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電路通過(guò)圖3（a）中V4的體二極管構(gòu)成了如圖5（b）虛線框部分所示的潛電路。有效的解決方法為，在斷線檢測(cè)前，將+27V1接通，使V4的體二極管不能正向?qū)ā?/p>

圖5 通過(guò)體二極管構(gòu)成潛電路

在研制過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)下管體二極管構(gòu)成的潛在回路，會(huì)使相電流不受控，導(dǎo)致細(xì)分控制失效。電機(jī)停留在單相時(shí)，相應(yīng)上管處于恒流斬波的工作狀態(tài)。經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在上管S1斷開(kāi)時(shí)，電流的續(xù)流路徑不僅僅只有理論上的1條，而有2條，如圖6（a）所示，分別為A相→S3→R1→V1→A相、A相→S3→VT→C相→A相。因此，由于S4體二極管VT的分流作用，導(dǎo)致采樣電阻采到的電流與真實(shí)相電流不一致，導(dǎo)致相電流不受控。解決的方法如圖6（b）所示，在相中串入正向二極管，割斷體二極管的續(xù)流作用。

圖6 電路原理

4.2電機(jī)繞組之間互感的影響

當(dāng)電機(jī)停留在A相時(shí)，接入A、C2相與只接A相相比，A相相電流過(guò)沖大。理論上2種接法的電流波形應(yīng)該基本一致。經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拆除圖3（b）中的二極管VD56后，電流波形過(guò)沖消失。此時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)停留在A相時(shí)，C相會(huì)產(chǎn)生約26～60 V的感應(yīng)電壓，波形如圖7中的上曲線所示。

圖7 A相通電時(shí)，C相的感應(yīng)電壓

查閱資料發(fā)現(xiàn)，A、C 2相繞組共用1個(gè)鐵心，2個(gè)繞組有類似變壓器的關(guān)系。在A相斬波時(shí)，C相會(huì)產(chǎn)生26～60 V的感應(yīng)電壓，使VD56正向?qū)ǎ罱K導(dǎo)致A相相電流過(guò)沖大。

為去除繞組之間的互相影響，在圖2的V3～V6與電源之間串入TVS管，保證感應(yīng)電壓不能使V3～V6導(dǎo)通的同時(shí)，抑制換相產(chǎn)生的瞬間高電壓對(duì)下管S3～S6的危害。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

解決了上述體二極管和繞組互感的問(wèn)題后，4相全接時(shí)A相電流16細(xì)分的波形如圖8所示。其中上波形為DA給定波形，下波形為相電流波形。

圖816 細(xì)分相電流波形

在實(shí)際工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍被限定為104°。當(dāng)電機(jī)以2 rad/s恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)電機(jī)運(yùn)行精度進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)得的部分精度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、3。通過(guò)數(shù)據(jù)可知：

（1）電機(jī)整步運(yùn)行的步進(jìn)誤差小于3%（相對(duì)于1.8°），與步進(jìn)電機(jī)步距角固有誤差一致；整步運(yùn)行的全量程范圍誤差小于1‰，滿足使用要求。

表2 電機(jī)整步運(yùn)行步進(jìn)精度

表3 電機(jī)8細(xì)分運(yùn)行步進(jìn)精度

（2）電機(jī)8細(xì)分時(shí)的均勻性較差，大部分點(diǎn)的步進(jìn)誤差小于15%(相對(duì)于0.225°)，但最大步進(jìn)誤差接近28%。雖然均勻性有點(diǎn)差強(qiáng)人意，但全量程范圍的控制誤差依然小于1‰，滿足使用要求。

需要說(shuō)明的是，上述精度數(shù)據(jù)屬于開(kāi)環(huán)精度。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)16或者更高程度細(xì)分，結(jié)合編碼器形成閉環(huán)控制能實(shí)現(xiàn)更高控制精度和更小步進(jìn)角度。

另外，現(xiàn)在絕大部分研究對(duì)象都是2相或3相的雙極性電機(jī)[12-16]，電機(jī)不存在2相共用鐵心的情況，其相之間的互感會(huì)明顯小于本文所選用的4相單極性電機(jī)，因此不能簡(jiǎn)單地將二者的控制精度等進(jìn)行對(duì)比。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)項(xiàng)目選用的4相6線制電機(jī)，設(shè)計(jì)了1種基于FPGA的單極性細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。在研制過(guò)程中，排除了MOS管體二極管帶來(lái)的不利影響，同時(shí)在很大程度上降低了繞組之間互感的影響。電路更改后，相電流波形得到了明顯改善，同時(shí)使電機(jī)的控制精度達(dá)到了使用要求。

值得注意的是，電機(jī)4相全接時(shí)的16細(xì)分波形與只接1相時(shí)的波形仍存在一定差異，而這正是導(dǎo)致細(xì)分不均勻的重要原因。由于這種差異通過(guò)接入相數(shù)的不同表現(xiàn)出來(lái)，依然懷疑為電機(jī)繞組之間的互感所造成，該問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。

[1] 劉鼎邦.兩相混合步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.LIU Dingbang.Two phase hybrid stepping motor subdivision drive research[D].Changsha：Changsha University of Science and Technology,2012.（in Chinese）

[2] 劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.LIU Baozhi.The study of exactly control stepping motor[D].Jinan：Shandong University,2010.（in Chinese）

[3] 張建彬,黃佐華,楊懷，等.直接電壓放大功率驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(4)：74-77.ZHANG Jianbin,HUANG Zuohua,YANG Huai,et al.Study on the direct voltage amplified and power driven subdividing technology of step motor[J].Journal of South China Normal University(Natural Science Edition),2004（4）：74-77.（in Chinese）

[4] 陳學(xué)軍.混合式步進(jìn)電機(jī)SPWM細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2007.CHEN Xuejun.Research and development on SPWM subdivided driving method of two-phase hybrid stepping motor[D].Hangzhou：Zhejiang University of Technology,2007.（in Chinese）

[5] 張航鮮.新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.ZHANG Hangxian.Design of a newly developed stepper motor driving circuit[D].Xi’an：Xidian University,2007.（in Chinese）

[6] 戴金琪.五相混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2008.DAI Jinqi.Research on 5-phase hybrid stepping motor system[D].Dalian：Dalian Jiaotong University,2008.（in Chinese）

[7] 康惠林.一種實(shí)用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路[J].電氣傳動(dòng)，2011,41（5）：58-61,64.KANG Huilin.Practical micro-stepping drive circuit for two phase hybrid step motor[J].Electric Drive,2011,41（5）：58-61，64（in Chinese）.

[8] 章烈剽.基于單片機(jī)的高精度步進(jìn)電機(jī)控制研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.ZHANG Liepiao.Study on controlling stepper motor with high accuracy that based on MCU[D].Wuhan：Wuhan University of Technology,2007.（in Chinese）

[9] 韋克應(yīng)，姜進(jìn)青.時(shí)間控制式分配泵高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2013（4）：21-23.WEI Keying,JIANG Jinqing.Design of high-speed solenoid drive circuit for time-controlled distribution pump[J].Modern Vehicle Power,2013（4）：21-23.（in Chinese）

[10] 徐志躍，文招金，陳偉海.基于FPGA的兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2008,38（4）：59-62.XU Zhiyue,WEN Zhaojin,CHEN Weihai.Design of two phase microstepping driver based on FPGA[J].Electic Drive,2008,38（4）：59-62.（in Chinese）

[11] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程，2版[M]..北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008：19-75.XIA Yuwen.Verilog digital system design tutorial（the second edition）[M].Beijing：Beihang University Press,2008：19-75.（in Chinese）

[12] 張志利.關(guān)于步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)若干問(wèn)題的討論[J].微特電機(jī),2000(6)：17-19.ZHANG Zhili.Discuss of umpty problems about the tony-step driving to the stepping motor[J].Small&Special Machine,2000（6）：17-19.（in Chinese）

[13] 方力，李宏勝，張建華.步進(jìn)電機(jī)高精度細(xì)分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2011，44（8）：97-100.FANG Li,LI Hongsheng,ZHANG Jianhua.Design of subdivision control system with high accuracy for stepping motor[J].Micro Motors,2011，44（8）：97-100.（in Chinese）

[14] 李玲娟.多細(xì)分二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.LI Lingjuan.Research and development of multi-microstepping driver for two-phase hybrid stepper motor[D].Xi’an：Northwestern Polytechnical University,2007.（in Chinese）

[15] 王盈.步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)及動(dòng)態(tài)性能仿真[D].大連：大連交通大學(xué)，2007.WANG Ying.Subdividing-drive and dynamic performance simulation to the step-motor[D].Dalian：Dalian Jiaotong University,2007.（in Chinese）

[16] 姜杏輝,鄒麗新,孫平,等.基于可控電流源的高精度高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)[J].微特電機(jī),2007（5）：21-24.JIANG Xinhui,ZOU Lixin,SUN Ping,et al.Subdivision driving technology of stepper motor with high accuracy and high resolution based on controllable current source[J].Small and Special Machine,2007（5）：21-24.（in Chinese）

Research on Microstep Control of the Stepping Motor Based on FPGA

GU Yu-xue,ZHANG Xiao-yan,LI Hua-zhong,HE Liu,JIANG Wen-liang
（AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi Jiangsu 214063）

The natural step angle of the stepping motor is so large that the stepping motor can't meet the requirements of high precision micro-displacement.A kind of FPGA-based unipolar drive circuit in theory of microstep control was designed.The circuit has the ability of wing disconnection detection,and can drive the motor to rotate at speed of 2rad/s with its step angle achieves sixteenth of the nature.During the design,the adverse impact caused by the MOSFET body diode was excluded and the influence of mutual inductance between windings was effectively reduced.The experiment result proves that the accuracy of the FPGA-based microstep control circuit meets the system requirements.

stepping motor;FPGA;microstep control;body diode;mutual inductance between windings

V 228.12

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.06.003

2016-05-05基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

古玉雪（1987），碩士，主要從事硬件電路研發(fā)工作；E-mail：linyu001@126.com。

古玉雪，張小妍，李華忠，等.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016,42（6）：18-22.GU Yuxue，ZHANG Xiaoyan，LI Huazhong，et al.Research on microstep control of the stepping motor based on FPGA[J]. Aeroengine，2016,42（6）：18- 22.

（編輯：栗樞）