基于FPGA的嵌入式步進電機恒流控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

仇存凱，姜海洋，張曉慧，岑啟峰，付培華

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；2.上海慣性工程技術(shù)研究中心·上?！?01109)

0 引 言

在軌補加功能是長期在軌運行的航天器的重要組成部分，為航天器進行姿態(tài)調(diào)整和軌道控制提供能源支持。由電機驅(qū)動的浮動連接機構(gòu)安全可靠地運行是實現(xiàn)在軌補加功能的關(guān)鍵?；诓竭M電機具有啟停響應迅速、運行精度高等特點，本文設計方案采用兩相混合式步進電機驅(qū)動浮動連接機構(gòu)。

步進電機是一種可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每輸入一個脈沖，電機隨之轉(zhuǎn)過一定角度，從而可以通過控制電脈沖輸入個數(shù)來控制電機運行的位置。步進電機每轉(zhuǎn)過一周，其位置回到上一周起始位置，位置誤差不會無限累積，但步進電機同樣存在易失步、振動大等缺點。

此外，對于步進電機相電流的控制，文獻[6-8]采用基于空間矢量的PID控制算法，文獻[9]采用基于細分技術(shù)的PID控制算法，具有較高的控制精度。但PID控制算法各參數(shù)之間存在較為復雜的耦合性，且參數(shù)整定復雜，不利于產(chǎn)品調(diào)試和軟件移植。

本文針對上述問題，提出了步進電機相電流自適應閉環(huán)控制方案。方案采用細分技術(shù)，由現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)根據(jù)硬件比較結(jié)果實現(xiàn)步進電機恒流斬波控制，在降低軟件設計復雜度的基礎上，將步進電機相電流誤差限定在10%范圍內(nèi)，以提高步進電機驅(qū)動的平穩(wěn)性，保證浮動連接機構(gòu)的可靠運行。

1 細分技術(shù)

細分技術(shù)是指對步進電機每一個單步進行細分，將每一單步細分成步，稱為細分。通過對步進電機進行細分控制，可以提高步進電機分辨率、減輕電機振動、降低噪聲、減小失步概率，從而使電機運行更加平穩(wěn)。

以兩相步進電機為例，對步進電機進行細分控制。通常按正弦規(guī)律設定各相電流，使電機總電流處于恒定狀態(tài)。兩相電流矢量圖如圖1所示。

圖1 步進電機兩相電流隨角度變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of stepper motor two phases current changing with angle

電機工作在恒流狀態(tài)下，圖1中總電流為恒值，各相電流計算如式( 1 )所示。

(1)

式中，、、、分別表示步進電機總電流、A相電流、B相電流、偏轉(zhuǎn)角，其中偏轉(zhuǎn)角定義為步進電機每運行一步，轉(zhuǎn)子偏離初始位置的角度。

對兩相步進電機進行兩細分驅(qū)動控制，電機每相繞組通電一周，電機轉(zhuǎn)子運行八拍，運行規(guī)律如圖2所示。

根據(jù)式(1)可知，步進電機工作在恒流狀態(tài)下，每一拍對應的各相電流在當前拍保持恒定。當轉(zhuǎn)子位置變化時，各相電流隨偏轉(zhuǎn)角變化波形如圖3所示，通過對每一相電流分別進行恒流斬波控制，即可實現(xiàn)步進電機總電流恒定。

(a)A相電流波形

2 步進電機控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

為實現(xiàn)在軌補加浮動連接機構(gòu)步進電機的恒流控制，本文系統(tǒng)采用斬波的方式調(diào)節(jié)各相繞組通電時間，以控制繞組電流大小，其硬件設計架構(gòu)如圖4所示。

圖4 步進電機驅(qū)動控制硬件設計架構(gòu)Fig.4 Hardware design architecture of stepper motor driving control

圖4中，F(xiàn)PGA接收中央處理器(Central Processing Unit, CPU)步進電機控制指令，分別輸出A、B相的方向信號、剎車信號，以及脈沖寬度調(diào)制(Pluse Width Modulation, PWM)信號至18200驅(qū)動芯片，由18200分別輸出A、B相驅(qū)動信號驅(qū)動步進電機。同時,FPGA根據(jù)圖3所示相電流變化規(guī)律給定步進電機運行在相應位置時的電流數(shù)據(jù)，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后得到相電流設定值。由18200輸出的A、B相采樣電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后分別輸出至各自電壓比較器，與相電流設定值進行比較，并將比較結(jié)果反饋至FPGA，由FPGA進行斬波處理，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

斬波控制原理如下所述：當A相或B相在當前拍通電時，F(xiàn)PGA根據(jù)比較器輸出信號對輸出的A相或B相PWM信號進行斬波。以A相為例，當相電流實際值小于設定值時，比較器輸出未過流信號(高電平)，F(xiàn)PGA檢測到未過流信號后，輸出高電平PWM信號，繞組通電，相電流上升；當相電流實際值超過設定值時，比較器將輸出過流信號(低電平)，此時FPGA輸出低電平PWM信號，繞組斷電，相電流下降；當相電流實際值低于設定值時，繞組再次通電，相電流上升，如此循環(huán)往復，從而實現(xiàn)步進電機恒流控制。

2.2 軟件設計

基于FPGA現(xiàn)場可編程、并行處理的優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用FPGA作為處理器，構(gòu)建圖5所示狀態(tài)機，實現(xiàn)在軌補加步進電機兩細分驅(qū)動控制。

圖5 步進電機兩細分驅(qū)動控制狀態(tài)機Fig.5 Two subdivision control state machine of stepper motor

圖5中，狀態(tài)機初始狀態(tài)為IDLE狀態(tài)，每檢測到一個有效的步頻脈沖step_pulse_p，狀態(tài)機根據(jù)方向信號m_dir_c向不同方向跳轉(zhuǎn)一次，在系統(tǒng)復位或因異常跳出狀態(tài)機后重新進入初始狀態(tài)。m_dir_c = ′1′，電機方向定義為正轉(zhuǎn)；m_dir_c = ′0′，電機方向定義為反轉(zhuǎn)。狀態(tài)機各狀態(tài)說明如表1所示。

表1 步進電機兩細分控制狀態(tài)機狀態(tài)說明

各狀態(tài)下，由FPGA輸出相電流設定值至DA，經(jīng)硬件電路處理后，由比較器反饋電流比較結(jié)果至FPGA。FPGA接收比較器反饋值，判斷電機是否過流，并根據(jù)判斷結(jié)果對通電繞組PWM信號進行斬波輸出，其控制流程如圖6所示。

圖6所示流程為步進電機控制狀態(tài)機處于每一動作狀態(tài)時，F(xiàn)PGA根據(jù)當前所處狀態(tài)進行繞組通電判斷，繞組通電時，使能PWM信號輸出，否則無輸出。PWM使能輸出情況下，F(xiàn)PGA判斷通電相數(shù)，根據(jù)通電相數(shù)更新相電流設定值并輸出至DA芯片。經(jīng)硬件電路處理并反饋后，F(xiàn)PGA對電機過流狀態(tài)進行判斷，電機未過流，PWM輸出有效電平，否則置無效，由此實現(xiàn)步進電機兩細分恒流斬波閉環(huán)控制。

圖6 步進電機PWM信號斬波控制流程Fig.6 Control process of stepper motor PWM signal chopping

3 測試驗證

采用Modelsim仿真工具，對步進電機PWM信號斬波過程進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 步進電機PWM信號斬波仿真圖Fig.7 Simulation diagram of stepper motor PWM signal chopping

圖7中：clk_i、rst_n_i、cur_A_i(1)、m2_pwm_o(0)、cur_B_i(1)、m2_pwm_o(1)、curr_powerswitch_state分別定義為時鐘信號(16MHz)、復位信號、A相過流信號(高電平有效)、A相PWM信號、B相過流信號(高電平有效)、B相PWM信號、兩細分控制狀態(tài)機當前狀態(tài)。

從仿真圖7中可以看出，在不同狀態(tài)下，當繞組通電時，PWM信號輸出電平跟隨繞組過流狀態(tài)變化，即各相繞組過流時，對應相PWM信號輸出無效電平(低電平)，反之輸出有效電平(高電平)，實現(xiàn)了步進電機PWM信號斬波輸出。

為驗證PWM信號斬波后對步進電機相電流的控制效果，搭建圖8所示實驗平臺。

圖8 在軌補加步進電機驅(qū)動實驗平臺示意圖Fig.8 Schematic diagram of the in-orbit refueling stepper motor experimental platform

圖8中，在軌補加控制系統(tǒng)接收上位機電機控制指令，解析控制指令后經(jīng)驅(qū)動電路輸出驅(qū)動信號至步進電機，并反饋遙測信號至上位機。為分析不同設定值下相電流的變化情況，通過示波器記錄波形，具體如圖9所示。

(a) 相電流設定值1A

根據(jù)示波器測量結(jié)果計算相電流誤差百分比(誤差最大值/設定值×100%)，相電流設定值分別為1A、2A、3A時，對應的誤差百分比分別為8%、4%、4%，控制結(jié)果符合需求。

4 結(jié) 論

本文提出了一種步進電機相電流自適應閉環(huán)控制方案，該方案通過比較器對相電流設定值和實際值進行比較，并將比較結(jié)果反饋給FPGA，由FPGA根據(jù)反饋值對電機PWM驅(qū)動信號進行斬波處理。這有效降低了FPGA軟件控制流程的設計復雜性，同時省去了電流閉環(huán)控制參數(shù)調(diào)整環(huán)節(jié)，極大方便了步進電機恒流控制調(diào)試過程。

本文基于上述方法進行了系統(tǒng)軟硬件設計，通過Modelsim仿真工具對FPGA輸出的PWM信號斬波過程進行仿真，并搭建了實驗平臺對步進電機斬波控制效果進行測試驗證。測試結(jié)果表明，采用FPGA、DA芯片、比較器、電機驅(qū)動芯片等器件構(gòu)建閉環(huán)回路對電機PWM驅(qū)動信號進行斬波，實現(xiàn)了步進電機恒流控制，保證了浮動連接機構(gòu)在恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動下平穩(wěn)進行在軌補加，為航天器長期穩(wěn)定地工作奠定了堅實基礎。