基于FPGA步进电机细分驱动控制(2)

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Abstract

The driving system of step motor has been widely used in industry. It has the advantage of high accuracy of fixing position, low cost, control ease, and also has the disadvantage of resonance in low frequency in this paper, I have designed a FPGA-based driver to drive step motor which can using sine pulse width modulation to realize adjustable subdivision.

This driver can control the step motor in full digital mode. It use FPGA togenerate all control signals to exchange data with upper units by serial communication in order to adjust some parameter; use IR2175 which is a linear current sensing IC to measure feedback current; use Motion-Smart Power Module to drive the motor. Because of this architecture, this driver has the advantages of small size, low cost, high anti-interference ability and lager driving power.

Employing the top-to-bottom design method, the circuit was described by the VHDL language, synthesized and simulated in the EDA environment current's measure module and PWM model are optimized, which can reach 170MHz performance in a FPGA chip whose System performance is up to 150 MHz. These two modules improve the chip's ability to control input signal and output signal. I have designed a control unit which combines some merit of state machine and the Constant Coded Programable Stable Machine. This control unit occupy little resource, and can support 100MIPS performance. In this paper, I have introduced some important components which are supported by SPARTAN-11 family.

According to experiment's result, this driver has the advantages of easy debugging, high anti-interference ability and lager driving power.

Keywords: Step motor; FPGA; Adjustable Subdivision; SPWM; Driving

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第1章 绪 论

1.1 引言

电气驱动控制系统是以电机为控制对象，以微电子芯片为控制核心，以电力电子功率变换器为执行机构，在自动控制理论的框架下组成的控制系统，其目的是通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Stepping motor、Pulse motor 或 Stepper servo，其应用发展已有约 80 年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动.就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。

步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。保证步进电机具有良好的工作特性是设计机电一体化产品及设备所必须考虑的问题之一。步进电动机不能直接接到交直流电源上，而必须使用步进电动机驱动器。步进电机工作性能的优劣，除了取决于步进电机本体的性能外，还取决于步进电机驱动器的优劣。实际上步进电动机本体与驱动器是密不可分的两部分，两者一起统称为“步进电机系统”或“步进电机单元”，其运行性能是电机和电路两者配合所反映出来的综合效果。因此，对步进电动机驱动系统的研究几乎是与步进电动机本体的研究同步进行的。

1.2步进电机的特点及应用

步进电动机是数字控制系统常用的执行电动机，具有如下优点：

(1) 一种离散运动的执行装置，与现代数字控制技术有着内在的联系，很容易与其它数字器件进行接口；

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(2) 位置误差无积累；

(3) 位置采用开环方式控制，不需要位置反馈环节，系统结构简单；

(4) 采用混合式步进电动机，除停转期间消耗电能少外，还具有记忆功能，可以在停电时将转子锁定在特定的位置上；

(5) 动态响应快，易于起停、正反转及变速； (6) 系统简单实用，设计容易。

但是步进电机自身也存在许多缺点，制约步进电动机应用的两个主要问题就是失步和振荡。由于步进电动机在大多数情况下采用开环运行的方式，对转子位置不做检测，它的主要运行性能指标完全依赖于供电电源、负载和电机本体。在极低频率下作连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置。这种运行状态为具有步进特征的连续运行状态，每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡的趋势越厉害。当脉冲频率等于或者接近于自由振荡频率f或者f/k(k=1, 2, 3?)时，如果阻尼作用不强，就会出现严重的振荡甚至失步和无法工作，这就是步进电机的低频共振现象，一般不允许在共振频率下运行。

步进电机区别于其它控制用途电动机的最大特点是，它接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。

因此，随着运动控制系统数字化的到来，步进电机的应用日益广泛。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。基于步进电机在应用上的诸多优点，步进电机作为自动控制系统中的重要执行部件，已经在许多工业控制系统中得到了应用。在计算机的外围设备（如打印机、卡片阅读机、主动轮驱动机构等）中总可以见到步进电机。步进电机也在数字控制系统、工具控制系统、程序控制系统中得到了广泛的应用。步进电机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。

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1.3课题研究的目的和意义

步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机。它的主要优点是：可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价，位移与输入脉冲信号数对应，步距误差步长期积累，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统，无刷，电机本体部件少，可靠性高；易于启动、停止、正反转及变速，响应性好；停止时有自锁能力；步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低 速下保持高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载；速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。

但是 ，步进电动机运行工况存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高，严重制约了步进电动机的应用范围。如果步进电机的能够克服低频振荡，降低振动，提高分辨率，而为此付出的代价不大的话，可以肯定步进电机的应用范围将更广。采用细分控制策略研制的驱动器有望克服步进电动机运行工况中存在许多不足之处。

但是目前的基于DSP的细分驱动器成本比较高，基于单片机细分驱动器性能不太好，并且没有较大的发展空间，基于专用控制芯片的细分驱动器通常只能用来驱动功率较小的步进电机。

本课题是利用FPGA为控制模块，IR2175构成电流反馈模块，使用IR公司的IPM 模块作为电源功放级，构成低成本，高性能的步进电机驱动器，使之可以驱动一些功率稍大一点的混合式步进电机。FPGA的大容量，高速处理能力可以将所有的控制部分集成到FPGA芯片中，很大的提高了系统的可靠性。IR2175直接测量步进电机绕组的电流，以PWM 波的占空比的形式将电流反馈信号和过流反馈信号传送给FPGA.。 IPM模块的较强的驱动能力，使该驱动器可以驱动小型电机。这种新型的驱动器体积小，硬件结构简单，成本低，抗干扰，控制能力强，并可以很容易的实现驱动器的升级换代，一旦投入使用必将扩大步进电机的应用范围，降低步进电机驱动系统的成本。

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第二章 步进电机的结构和细分驱动原理

2.1步进电机的结构

步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，英文名通常有step motor, stepping motor, stepper等等。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以简单的定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度(或长度)，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。

步进电机的相数指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相的为0.75°/1.5°，五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

2.2步进电机的分类

通常步进电机一般可分为永磁式步进电机(PM Step Motor)，反应式步进电机(VR Step Motor)和混合式步进电机(Hybrid Step Motor)三类。

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