ｌ遑 訇 似 基于ＦＰＧＡ的步进电机ＳＰＷＭ细分驱动系统的设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＦＰＧＡ－ｂａｓｅｄ ＳＰＷＭ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ 张萍 ＺＨＡＮＧ Ｐｉｎｇ （江阴职业技术学院电子信息工程系，江阴２１４４０５） 摘要：系统采用ＦＰＧＡ设计了步进电机正弦脉宽调制细分驱动电路，提高了步进电机的步进分辨率， 并设计了功率驱动电路，对细分电路输出信号进行了隔离和功率放大，以确保电机能够稳定 可靠地运行。经过对二相混合式步进电机测试表明，步进电机运行平稳，定位精度较高，改 善了步进电机的运行性能，适用于要求较高的实时控制系统。 关键词：ＳＰＷＭ细分驱动；双口ＲＯＭ；ＳＰＷＭ调制；桥式驱动 中囝分类号：ＴＭ３９１．９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１４）０２（下）一０１１ ５—０５ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．Ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１４．０２（下）．３３ ０引言 步进电机在低频工作时，分辨率不高，容易 产生振荡，运行不够平稳，无法满足精确定位的 要求。而电流矢量恒幅均匀旋转的ＳＰＷＭ正弦细 分驱动技术ｎ 减小了步进电机的步距角，并且能够 使细分后的步距角均匀，输出力矩恒定，从而提 高了电机的步进分辨率、运行的平稳性和电机的 恒幅均匀旋转法是使电机各相绕组分别通以幅值 大小均相等且有一定相位差的正弦电流，使各相 电流合成矢量在空间上作旋转运动，且电流合成 矢量的幅值保持不变，从而能够使细分后的步距 角均匀，输出力矩恒定。为了尽可能得到圆形的 合成磁场，使步距角变化均匀，各相绕组采用阶 梯状正弦波电流驱动较为理想。采用阶梯状正弦 定位精度，因此，ＳＰＷＭ细分驱动技术在步进电 机的驱动系统中得到了广泛应用。 目前，步进电机驱动控制系统普遍采用微处 波对电流进行细分时，阶梯越多，波形就越理 想，越接近正弦波，步距角也就越小，定位精度 也越高。如图１所示。 理器来构成，对于比较简单的步进电机控制应用 这是完全可行的，但是当需要对步进电机进行高 速、高精度、频繁细分控制时，就要占用微处理器 大量的运行时间和内部资源，从而严重影响了系统 其他应用功能的执行与实现。采用高速ＦＰＧＡ器件 设计的细分电路取代微处理器的细分功能程序， 图１八细分正弦电流 不但可以很好地解决这些问题，而且与程序相比 硬件电路具有更好的快速性和可靠性。 ＳＰＷＭ技术是把正弦波划分成宽度相等、幅 值不等的Ｎ个脉冲，再把这个序列脉冲用Ｎ个幅 值相等、宽度不等，宽度按正弦规律变化的脉冲 １ ＳＰＷＭ细分驱动原理 步进电机细分驱动通常分为等电流细分驱动 法和电流矢量恒幅均匀旋转法。对于等电流细分 代替，即为ＳＰＷＭ脉冲。具体实现方法是：根据 电机运行所要求的最大细分数Ｎ，在最小相电流 到最大相电流之间按正弦方式插入Ｎ个稳定的中 间电流状态，将对应每个状态的二进制量化值存 入ＲＯＭ中。理论上来讲，细分数越多越好，兼顾 系统实现的可行性和电机定位的精确性，系统最 驱动法 ，由于电流合成矢量的幅值不断变化， 输出力矩也随之变化，不能实现步距角的均匀细 分，从而使电机运行不稳定，而且不均匀的步距 角也容易引起电机的振荡、甚至失步，降低了步 进电机定位的精度，系统不予采用。而电流矢量 大细分数确定为２５６，即在最小相电流和最大相电 收稿日期：２０１３－０９－１５ 作者简介：张萍（１９７５一），女，湖北随州人，副教授，工学硕士，主要从事微型计算机控制及其应用方向的研究。 第３６卷第２期２０１４—０２（下） 【１１５１ ｌ 流之间划分为２５６个正弦电流值，一个正弦周期共 插入１０２４个电流值。对于二相混合式步进电机， 勺 似 ３ ＳＰＷＭ细分驱动电路的ＦＰＧＡ设计 ３．１地址发生器的设计 地址发生器 是为双口ＲＯＭ中存储的一个正 弦周期的１０２４个电流值提供１０２４个地址，地址 范围为０—１０２３。当地址在０—５１ １之间时，表示电 流处于０～Ⅱ之间；当地址在５１２－１０２３之间时， 表示电流处于ｎ～２ 之间。图２中的启停控制信 号是用来控制电机启动和停止的，当启停控制信 号为低电平时，地址发生器输出电流值的地址， 电机运行；反之，电机停止运行。方向控制信号 是用来控制电机正反转的，当方向控制信号为 Ａ、Ｂ两相电流值相差四分之一个周期，即相位相 差ｎ／２，Ａ、Ｂ两相电流Ｉ 和Ｉ 分别按如下细分控制 函数变化。 ＩＡ＝Ｉｍ ｓｉｎｔ ＩＢ＝Ｉｍｃｏｓｔ ２系统整体结构 系统由ＦＰＧＡ、高速光耦隔离电路和高速桥式 驱动电路组成 ，而系统中的分频器、倍频器、 地址发生器、双口ＲＯＭ、数据变换器、ＳＰＷＭ 调制器和电流分配器是由ＦＰＧＡ设计而成，如图 ２所示。系统中的ＦＰＧＡ采用的是ＡＬＴＥＲＡ公司的 Ｃｙｃｌｏｎｅ系￣ＩＪＥＰＩＣ１２Ｑ２４０Ｃ８芯片Ｍ】，该芯片内核 采用１．５Ｖ供电，内部共有１２０６０个逻辑单元，有 高电平时，地址递增输出，电机正转；反之， 电机反转。输入给地址发生器的时钟速率决定 了地址发生器产生地址的速度，并进而决定了 电机运行速度，因此通过改变分频器的分频系数 ２３９６１６个存储单元位，完全满足系统设计需要。 来自时钟电路的５ＯＭＨｚ时钟信号经过分频器８００分 可以改变电机运行速度。对于两相混合式步进电 机，Ａ、Ｂ两相正弦电流值相位相差Ⅱ／２，也就 是１／４个周期，因此Ａ、Ｂ两相电流值的地址相差 （１０２４／４）一１＝２５５。地址发生器的仿真波形如图３ 所示。 频后，得到６２５００Ｈｚ的时钟，作为地址发生器、双 ＨＲＯＭ模块、数据变换器的工作时钟，５０ＭＨｚ的时 钟经过ＦＰＧＡ内部锁相环３倍频之后得到１５０ＭＨｚ时 钟，作为ＳＰＷＭ调制器和电流分配器的工作时钟。 在启动信号和方向信号的控制下，地址发生 器产生１０２４个地址信号给双口ＲＯＭ模块，将ＲＯＭ 模块中存储的正弦电流值输出给数据变换器，由 从图３中可以看出，当方向控制信号ｄｉｒ＝１ 时，Ａ、Ｂ两相地址ａｄｄｒ—ａ和ａｄｄｒ＿ｂ均为递增；而 当ｄｉｒ＝０时，这两相地址则均为递减，并且这两相 地址相差２５５。当Ａ相地址ａｄｄｒ＿ａ在０～Ｙｆ之间时， 数据变换器将双向正弦电流值变换为单向正弦电 流值，分别输出给Ａ、Ｂ相ＳＰＷＭ调制器，从而将 正弦电流信号变换为ＳＰＷＭ脉冲，经过电流分配 器进行电机绕组ＡＨ、ＡＬ、ＢＨ和ＢＬ的电流分配， Ａ相标志信号ａ为低电平；而当其在丌～２Ⅱ之间 时，其标志信号则为高电平。由于图中显示部分 的Ｂ相地址ａｄｄｒ—ｂ都处于０～Ⅱ之间，所以其标志 信号ｂ一直为低电平。 经过分配之后的电流通过高速光耦进行光电隔 离，以防止电机端的干扰串入ＦＰＧＡ中，影响系统 可靠性，并通过高速桥式驱动电路驱动步进电机 按照要求进行工作。 ３．２双口ＲＯＭ的设计 对于二相混合式步进电机，采用双口ＲＯＭ为 Ａ、Ｂ两相绕组提供驱动电流值。双口Ｒ０Ｍ中存放 的是一个正弦周期中所需的１０２４个电流值，Ａ相 Ｉ ５ＯＭＨＺ时 分 频 器 －—— ＇＿Ｇ￣Ｉ ７ Ｊ ＲＯＭ Ｉ ｒ； ＂ｌ￣ 器 曩ＬＡ相 ＳＰＷＭ 调制器 Ａ相电流 分配器 高速光Ｉ ｌ高速桥ｆ ｌ Ａ相 耦隔离Ｈ式驱动 绕组 ６２５００Ｈｚ时钟 Ｂ相 ｌ５０ＭＨＺ ＳＰＷＭ ＿一 倍 频 器 Ｌ…………调制器 …………………Ｂ相电流 分配器 …一．— 襄蔫誊耦隔离 １式驱动 绕组Ｈ 图２系统整体框图 ［１１６１ 第３６卷第２期２ｏ１４—０２（下） 务ｌ注 訇 似 ０ ｉｅｌｋ —ｌ ２ ｄｉｒ ｐ ３ 口２５ ２Ｂ 圈Ｉｄｄｒ一 ｔ４ 囝ａｄｄｒ ｂ 图３地址发生器仿真波形图 正弦电流波形如图４所示，Ｂ相正弦电流与Ａ相相 ３００：０： 差Ⅱ／２。 ３ｆｅ：１ｔ９； ３ｉｆ：ｌｆｃ； ｅｎｄ； 由图４可以看出，最大电流值为１０２３，用十六 进制表示为３ＦＦＨ，所以ｍｉｆ文件中定义数据宽度 为１０；电流值的个数为１０２４个，因此ｍｉｆ文件中 定义数据深度取为１０２４。对于图４所示波形，相 位为０时，地址为０，电流值为５１１（十六进制数 图４ Ａ相正弦电流 １ＦＦＨ）；相位为Ⅱ时，地址为５１２（十六进制数 这１０２４个正弦电流值可以由Ｃ语言或者Ｍａｔｌａｂ ２００Ｈ），电流值为５１１（十六进制数１ＦＦＨ）；相 编程求得，并将其存入ｍｉｆ文件中，在设计双口 位为３ ／２时，地址为７６８（十六进制数３００Ｈ）， ＲＯＭ时只需指明其路径即可，该ｍｉ肢件如下： 电流值为０，与ｍｉｆ文件中的数据完全相符。载入 ｗｉｄｔｈ＝１０； 该ｍｉｆ文件后双口ＲＯＭ仿真波形如图５所示，图中 ｄｅｐｔｈ＝１０２４； 显示的是方向控制信号ｄｉｒｅｃｔ为高电平时的仿真波 ａｄｄｒｅｓｓｒａｄｉｘ＝ｈｅｘ； 形。Ａ、Ｂ相输入地址ｄａ和ｄｂ递增，相应地址的 ．ｄａｔａ电流值从输出口ｑ＿ａ和ｑ—ｂ输出，电机处于正转状 ＿ｒａｄｉｘ＝ｈｅｘ； ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｅｇｉｎ 态。 ０：ｌｆｆ； ３．３数据变换器的设计 １：２０２； 数据变换器的功能是：将ＲＯＭ中ｎ～２ ｎ之间 的正弦电流值沿轴ｉ＝５１２进行镜像，再将整个周期 ｆｉ：３ｆｅ； 的电流沿ｉ轴下移５１２，从而将图４所示电流变换成 １００：３ｉｆ； 图６所示电流。 １０１：３ｆｅ； １ｆｆ：２０２； ２００：ｌｆｆ； ２０１：ｌｆｃ； 图６变换器转换之后的电流波形 田ｄ 圃曲 伍Ｉ Ｌ‘ 田 图５ 正转时双Ｈ ＲＯＭ模块仿真波形 第３６卷第２期２０１４－０２（下） ［１１７１ 、ｌ 口吼－ 髑 匐 出 ＾｝ｌ 地 鞠 礼 图８步进电机细分驱动电路仿真波形 图９ Ａ相绕组功率驱动电路 输出信号ＡＨ和ＡＬ首先经过高速光耦ＨＣＰＬ２６３０ 进行光电隔离输出，以防止来自电机的干扰信号 串入ＦＰＧＡ中。经过ＨＣＰＬ２６３０隔离输出的信号送 ＡＬ、ＢＨ和ＢＬ进行隔离和功率放大，以便可靠驱 动电机绕组。系统对步进电机ＳＰＷＭ细分驱动电 路进行了仿真，仿真波形非常理想。将细分驱动 电路、功率驱动电路板和二相混合式步进电机连 接组成一个完整系统进行调试，步进电机运行平 入高压高速半桥驱动芯片ＩＲ２１ １３进行功率放大， ＩＲ２１１３是大功率ＭＯＳＦＥＴ专用驱动集成电路，内 部具有高、低两路输出通道，芯片中采用高集成 度的电平转换技术，提高了驱动电路的可靠性。 引脚３和６之间的二极管是为了防止Ｑ１导通时高电 压串入ｖｃｃ端损坏ＩＲ２１１３，为了保证ＩＲ２１１３的两 个输出ＨＯ和ＬＯ跟随输入ＨＩＮ和ＬＩＮ变化，引脚ＳＤ 必须接地。当信号经过ＩＲ２１１３输出后，通过栅极 稳，有效克服了步进电机的低频振动和高频失步 等缺点，改善了步进电机运行性能，具有较好的 实用价值。 参考文献： 【１】孟军，张振兴，刘波．二相步进电机细分驱动的设计与实现 ［Ｊ］＿电气应用，２００７，２６（１２）：８４－８７． 控制由４个大功率ＭＯＳＦＥＴ构成的Ｈ桥式电路。 ＩＲ２１１３的引脚ＨＯ输出的信号控制功率管Ｑ１和Ｑ４ ［２］杨秀增，黄露．二相混合式步进电机ＳＰＷＭ细分驱动器的 ＦＰＧＡ设计［Ｊ】．微电机，２０１１，４４（２）：１０２・１０４． 的通断；引脚ＬＯ输出的信号控制功率管Ｑ２和Ｑ３ 的通断。因此在正弦信号的整个周期，Ａ相绕组获 【３】赵海洋，崔翠红，陈斌，张文超．基于ＦＰＧＡ的步进电机细 分驱动器［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００９，１２：６７—６９． 【４】潘松，黄继业．ＥＤＡ技术实用教程【Ｍ】．北京：科学出版社， ２００５：１７５．１８２． 得了脉宽调制后按正弦规律变化的电流值，从而 控制了步进电机按照ＳＰＷＭ细分驱动进行运行。 ［５】吴云，陆锷，赵海洋，崔翠红，陈斌．基于ＦＰＧＡ的步进电机 ５结束语 系统采用Ｃｙｃｌｏｎｅ系列芯片ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０Ｃ８设 细分驱动器的设计【Ｊ］．自动化仪表，２００９，３０（１０）：６１—６３． ［６］李婧，金占雷．两相步进电机单极性细分驱动器的实现 ［Ｊ］＿电机与控制应用，２０１２，３９（３）：１４・１８． 计了步进电机正弦脉宽调制细分驱动电路，并设 计了功率驱动电路，对细分电路输出信号ＡＨ、 第３６卷第２期２０１４—０２（下） ［１１９１