1

引言步進(jìn)電機(jī)是一種種將電脈沖信信號(hào)轉(zhuǎn)換成相相應(yīng)的角位移移（或線位移移）的機(jī)電元元件，具有結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固固耐用工作可可靠的優(yōu)點(diǎn)因因此廣泛應(yīng)用用于工業(yè)控制制領(lǐng)域。由于于脈沖的不連連續(xù)性又使步步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行行存在許多不不足之處，如如低頻振蕩、噪噪聲大、分辨辨率不高及驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠靠性差等，嚴(yán)嚴(yán)重制約了其其應(yīng)用范圍。步步進(jìn)電機(jī)的細(xì)細(xì)分控制有效效地解決了這這一問(wèn)題，但但是傳統(tǒng)的步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)大多數(shù)數(shù)采用的是用用單片機(jī)作為為控制芯片，外外加分立的數(shù)數(shù)字邏輯電路路和模擬電路路構(gòu)成。受單單片機(jī)工作頻頻率的限制，細(xì)細(xì)分?jǐn)?shù)不是很很高，因此驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的控制制精度較低，控控制性能不是是很理想。隨隨著高性能數(shù)數(shù)字信號(hào)處理理器DSP的出現(xiàn)，以DSP為控制核心心，以軟件方方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)控制一度成成為研究的熱熱點(diǎn)。近年來(lái)來(lái)隨著可編程程邏輯器件的的飛速發(fā)展，使使得可編程邏邏輯器件功能能越來(lái)越強(qiáng)大大從而促使高高集成化高精精度驅(qū)動(dòng)器的的出現(xiàn)。因此此本文提出了了一種基于SOPC片上可編程程的全數(shù)字化化步進(jìn)電機(jī)控控制系統(tǒng)，本本系統(tǒng)是以FPGA為核心控制制器件，將驅(qū)驅(qū)動(dòng)邏輯功能能模塊和控制制器成功地集集成在FPGA上實(shí)現(xiàn)，充充分發(fā)揮了硬硬件邏輯電路路對(duì)數(shù)字信號(hào)號(hào)高速的并行行處理能力，可可以使步進(jìn)電電機(jī)繞組電流流細(xì)分達(dá)到4096，且細(xì)分?jǐn)?shù)數(shù)可以自動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)，極大地地提高了控制制精度和驅(qū)動(dòng)動(dòng)器的集成度度，減小了驅(qū)驅(qū)動(dòng)器體積。

2

步進(jìn)電電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)細(xì)分控制本質(zhì)質(zhì)上是對(duì)步進(jìn)進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞繞組中的電流流進(jìn)行控制，在在普通驅(qū)動(dòng)方方式下，驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路只是通通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)繞組激磁電電流的“開(kāi)”和“關(guān)”，使步進(jìn)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以以其本身的步步距角分步旋旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電電動(dòng)機(jī)靠定子子、轉(zhuǎn)子磁極極間的電磁力力來(lái)進(jìn)行工作作，當(dāng)它處于于“雙拍”狀態(tài)工作時(shí)時(shí)，其定位位位置是正好位位于兩通電磁磁極的中間，即即依靠?jī)赏婋姶艠O電磁吸吸引力的平衡衡而獲得的。由由此可以推論論:如果能夠進(jìn)進(jìn)一步仔細(xì)地地控制兩磁極極電磁吸引力力的大小，使使轉(zhuǎn)子磁極獲獲得更多種由由于兩相定子子磁極的電磁磁吸引力差異異而形成的平平衡定位位置置。步進(jìn)電機(jī)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方方式就是應(yīng)用用了這一原理理，在細(xì)分驅(qū)驅(qū)動(dòng)時(shí)，細(xì)分分控制器通過(guò)過(guò)控制各相激激磁繞組電流流的逐步增大大及逐步減小小，讓轉(zhuǎn)子處處于多個(gè)磁力力平衡狀態(tài)使使電機(jī)內(nèi)部的的合成磁場(chǎng)為為均勻的圓形形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)實(shí)現(xiàn)步距角變變小、電動(dòng)機(jī)機(jī)的旋轉(zhuǎn)得到到細(xì)化的目的的。合成的磁磁場(chǎng)矢量的幅幅值決定了電電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩矩的大小，相相鄰兩個(gè)合成成磁場(chǎng)矢量的的夾角大小決決定了該步距距角的大小。對(duì)對(duì)于三相步進(jìn)進(jìn)電機(jī)而言，向A、B、C繞組分別通以相位相差2/3π，而幅值相同的正弦波電流（圖1），則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的合成磁場(chǎng)矢量也作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)從而形成旋轉(zhuǎn)力矩（圖2）。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式下下，由于步距距角小，步進(jìn)進(jìn)電機(jī)的控制制精度明顯提提高，同時(shí)這這種驅(qū)動(dòng)方式式又有效抑制制低速運(yùn)行中中產(chǎn)生的噪聲聲和振蕩現(xiàn)象象。3

控制器器總體設(shè)計(jì)方方案

步進(jìn)電機(jī)三相相繞組的電流流是正弦階梯梯電流，通過(guò)過(guò)改變給定電電流的每一次次變化的階梯梯數(shù)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)可變細(xì)分功功能。驅(qū)動(dòng)器器的任務(wù)就是是控制繞組的的電流，使之之按正弦階梯梯波的規(guī)律變變化。每給一一個(gè)步進(jìn)脈沖沖，A、B、C三相繞組的的電流沿正弦弦階梯波前進(jìn)進(jìn)一步，電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步步距角。步進(jìn)進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)主回路圖如如圖3所示IA、IB為兩個(gè)霍爾爾元件。圖中中6個(gè)IGBT集成在電源源控制模塊IPM內(nèi)。

圖3

步進(jìn)電動(dòng)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主回回路圖步進(jìn)電機(jī)控制系系統(tǒng)框圖如圖圖4所示。采用FPGA作為主控制制芯片,

將控制器與與驅(qū)動(dòng)器的數(shù)數(shù)字電路部分分集成在一片片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)。為為了控制繞組組電流，在設(shè)設(shè)計(jì)中引入電電流跟蹤型閉閉環(huán)反饋，反反饋電流與給給定的正弦電電流（離散的的正弦表）經(jīng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的比比例積分PI調(diào)節(jié)后進(jìn)行SPWM調(diào)制，輸出6路PWM波，來(lái)控制制驅(qū)動(dòng)電路三三個(gè)橋臂上的的6個(gè)IGBT開(kāi)通關(guān)斷。如如果忽略死區(qū)區(qū)時(shí)間控制每每個(gè)橋臂的上上下半橋的兩兩路PWM波互補(bǔ)即上上半橋PWM波為高/低電平時(shí)，下下半橋PWM波為低/高電平。系系統(tǒng)采用14位寬度200MHHz計(jì)數(shù)器產(chǎn)生PWM載波，載波波頻率12.2KKHz，電流數(shù)據(jù)據(jù)全部采用14位精度進(jìn)行行離散化。200MHHz時(shí)鐘由50MHz時(shí)鐘經(jīng)PLL倍頻產(chǎn)生。FPGA輸出的PWM波經(jīng)功率模模塊放大后，控控制步進(jìn)電機(jī)機(jī)運(yùn)行。步進(jìn)進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀狀態(tài)（轉(zhuǎn)速和和轉(zhuǎn)向）通過(guò)過(guò)LED指示。步進(jìn)進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速是是由查表速度度決定的，CP是用來(lái)決定定查表頻率，在在細(xì)分等級(jí)一一定的情況下下CP速度越高電電機(jī)轉(zhuǎn)速越快快。如果電機(jī)機(jī)在高細(xì)分下下高速旋轉(zhuǎn)則則CP脈沖頻率就就會(huì)很高，導(dǎo)導(dǎo)致PWM脈寬過(guò)小，使使功率模塊IGBT控制橋臂頻頻繁開(kāi)關(guān)，其其結(jié)果是開(kāi)關(guān)關(guān)損耗大為增增加，功率模模塊過(guò)熱。而而高細(xì)分在步步進(jìn)電機(jī)高速速旋轉(zhuǎn)時(shí)其優(yōu)優(yōu)勢(shì)并不明顯顯，所以在不不影響電機(jī)運(yùn)運(yùn)行精度的情情況下，系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速對(duì)對(duì)細(xì)分精度在在4096、2048、1024、512、256、128、64、32之間自動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)，使電機(jī)機(jī)更加平穩(wěn)可可靠的運(yùn)行。

圖4控制系統(tǒng)統(tǒng)框圖3.1

FPPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是由集成成在系統(tǒng)采用用層次化開(kāi)發(fā)發(fā)方式，頂層層模塊由多個(gè)個(gè)子模塊組合合而成，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)框框圖如圖5所示。系統(tǒng)統(tǒng)由Nios

II微處理器模模塊和數(shù)字邏邏輯模塊組成成。

圖5FPGAA設(shè)計(jì)系統(tǒng)框框圖

控制器采Niios

III的32位CPU軟核，由SOPC

Buildder

生成。用來(lái)來(lái)接收外界控控制信號(hào)并把把信號(hào)處理后后送給脈沖發(fā)發(fā)生器，并通通過(guò)輸出端口口控制LED來(lái)指示系統(tǒng)統(tǒng)工作情況。系系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)計(jì)圖如圖6所示，系統(tǒng)統(tǒng)由CPU軟核（stepmmotor__contrrollerr、CP發(fā)生器（PatteernGenneratoor）、正弦查查表控制模塊塊（interrface）、A/D電流采樣模模塊（curreenttopp）、C相電流計(jì)算算模塊（Curreent_c）調(diào)節(jié)模塊塊、PI調(diào)節(jié)模塊（pimoddule）、PWM發(fā)生模塊（PWM）組成，各各模塊功能如如下：

CPU：接受外外界控制信號(hào)號(hào)把信號(hào)處理理后得到相應(yīng)應(yīng)的細(xì)分等級(jí)級(jí)和與速度對(duì)對(duì)應(yīng)的控制信信號(hào)送給CP發(fā)生器，把把轉(zhuǎn)向信號(hào)處處理后送到查查表控制模塊塊,并把轉(zhuǎn)速和和轉(zhuǎn)向信號(hào)送送到LED數(shù)碼管和發(fā)發(fā)光二極管來(lái)來(lái)指示電機(jī)運(yùn)運(yùn)行情況；

CP發(fā)生器：接接受轉(zhuǎn)速控制制信號(hào)發(fā)出與與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)應(yīng)的CP脈沖并給出出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下下對(duì)應(yīng)的最佳佳細(xì)分等級(jí)；；

正弦查表表控制模塊：：根據(jù)CP脈沖和細(xì)分分等級(jí)進(jìn)行查查表產(chǎn)生參考考電流，根據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)向控制信信號(hào)來(lái)決定查查表方向來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制制；

A/D電流采采樣模塊：采采集步進(jìn)電機(jī)機(jī)A、B兩相電流值值；

C相電流計(jì)算算模塊：根據(jù)據(jù)基爾霍夫電電流定律A、B、C三相電流之之和為零，由由A/D采集的A、B兩相的電流流計(jì)算出C相電流；

PI調(diào)節(jié)模塊：：將參考正弦弦電流與反饋饋電流差值進(jìn)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，把調(diào)調(diào)節(jié)后的控制制信號(hào)，為了了防止IPM內(nèi)上下半橋橋的IGBT同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)導(dǎo)致IPM短路，PI模塊內(nèi)設(shè)置置的了死區(qū)時(shí)時(shí)間。

圖6系統(tǒng)頂層層設(shè)計(jì)圖

頂層接接口說(shuō)明：

AD_in_aa、AD_inn_b

是

AAD16744轉(zhuǎn)換輸出的的數(shù)字信號(hào)；；

AAD_CE、AD_RD、AD_STTS為AD的控制信號(hào)號(hào)；

cclk、reset分別為系統(tǒng)統(tǒng)時(shí)鐘輸入端端口和系統(tǒng)復(fù)復(fù)位端口；

eenablee端口是PWM發(fā)生器使能能端，功率模模塊溫度過(guò)高高熱保護(hù)就會(huì)會(huì)動(dòng)作將enablle置0停止發(fā)出PWM波，保護(hù)驅(qū)驅(qū)動(dòng)器；

ssetspeeet、rotatte_dirrc分別為轉(zhuǎn)速速和轉(zhuǎn)向控制制端口；

lled_seel、speedddispllay、led_iindicaator為工作情況況指示電路；；

ppl_a、ph_a、pl_b、ph_b、pl_c、ph_c為A、B、C三相橋臂的的上下半橋控控制端；

3.2

Niios

III軟核設(shè)計(jì)

在本控制器中利利用CPU控制靈活的的功能用來(lái)接接受并處理外外界控制號(hào)再再將處理過(guò)的的控制信號(hào)送送到各個(gè)功能能模塊，因此此Nios

II軟核采用了了經(jīng)濟(jì)型即Nios

II/e，加入了用用于輸入輸出出端口（PIO）、片上存存儲(chǔ)器模塊（On

chhip

Meemory）?？刂破髌鞒绦蛄鞒虉D圖軟件程序工工作流程如圖圖7所示。

圖7

CPUU控制流程圖圖CPU內(nèi)部程序序采用C++語(yǔ)言編寫，并并對(duì)電機(jī)的控控制狀態(tài)建立立類。通過(guò)對(duì)對(duì)電機(jī)的控制制狀態(tài)對(duì)象的的操作，即可可輸出各種控控制命令到接接口模塊和CP脈沖發(fā)生模模塊，控制電電機(jī)狀態(tài)；同同時(shí)在程序主主循環(huán)中監(jiān)視視用戶的各種種輸入，更新新電機(jī)的控制制狀態(tài)對(duì)象的的成員變量。

3.3

CP發(fā)發(fā)生器模塊和和查表控制模模塊

PatterrnGeneeratorr模塊根據(jù)設(shè)設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)的CP脈沖和在該該轉(zhuǎn)速下的最最適宜的細(xì)分分等級(jí)，并把把這些信號(hào)傳傳送給查表控控制模塊。CP發(fā)生器模塊塊和查表控制制模塊如圖8所示。

圖8

CP

發(fā)發(fā)生器模塊和和查表控制模模塊查表控制模塊（interrface）內(nèi)部例化化了一個(gè)只讀讀存儲(chǔ)器，存存放一個(gè)周期期的正弦數(shù)據(jù)據(jù)表。正弦表表數(shù)據(jù)寬度與與系統(tǒng)數(shù)據(jù)流流數(shù)據(jù)寬度一一致，因此選選擇14位寬度。正正弦表深度決決定了驅(qū)動(dòng)器器的最大細(xì)分分等級(jí)，關(guān)系系式表示為：：NMAX==2N，當(dāng)N=12時(shí)，達(dá)到最最高細(xì)分等級(jí)級(jí)4096細(xì)分。外部部輸入CP和CCW信號(hào)后，通通過(guò)順序的給給出三相繞組組對(duì)應(yīng)的地址址數(shù)據(jù)，即可可查得三相相相電流的給定定數(shù)據(jù)，并同同時(shí)更新三個(gè)個(gè)給定數(shù)據(jù)寄寄存器，送入入下一個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)。轉(zhuǎn)向交換換也在本模塊塊實(shí)現(xiàn)。輸入入的CCW信號(hào)將控制制一個(gè)路選擇擇器，控制正正弦表的查表表方向來(lái)改變變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向。本模塊塊通過(guò)輸入的的細(xì)分等級(jí)信信號(hào)和CP脈沖信號(hào)共共同決定三相相繞組的地址址數(shù)據(jù)的每次次增量大小。當(dāng)當(dāng)細(xì)分等級(jí)最最高時(shí)，地址址計(jì)數(shù)器每次次增1或減1；當(dāng)處于非非最高細(xì)分精精度時(shí)，地址址計(jì)數(shù)器每次次遞增2的N次冪，N由當(dāng)前的細(xì)細(xì)分等級(jí)確定定。

3.4

ADD采樣模塊與C相電流計(jì)算算模塊步進(jìn)電機(jī)A、BB兩相電流通通過(guò)霍爾元件件進(jìn)行采集，AD采樣模塊通通過(guò)采集采樣樣電阻上的電電壓來(lái)將電機(jī)機(jī)A、B兩相電流的的模擬量轉(zhuǎn)換換為數(shù)字量，C相電流模塊塊由基爾霍夫夫電流定律ia+ibb+ic=00計(jì)算得到。圖圖9為兩模塊的的端口。

圖9

AD采樣樣模塊與C相電流計(jì)算算模塊

3.5

PII調(diào)節(jié)模塊

PI調(diào)節(jié)模塊是是對(duì)給定數(shù)據(jù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行離散化化PI調(diào)節(jié)。模塊塊的數(shù)據(jù)寬度度統(tǒng)一為14位，即給定定數(shù)據(jù)/反饋數(shù)據(jù)/控制數(shù)據(jù)都都用14位寬度無(wú)符符號(hào)整型數(shù)據(jù)據(jù)表示。本模模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)PI控制器功能能，如圖10所示。

圖10

PII控制邏輯框框圖

PI調(diào)調(diào)節(jié)離散化公公式如（4）式所示。

I（KK）=I（K-1）+KP＊（E（K）-E（K-1））+KI＊E（K）

（4）

其中，1500≤I（K）≤14384，I（0）

=

81192，E（K）=IREFF-IOUTT

模塊在收到啟啟動(dòng)信號(hào)后，先先寄存給定數(shù)數(shù)據(jù)/反饋數(shù)據(jù)，再再對(duì)二者擴(kuò)寬寬符號(hào)位做有有符號(hào)減法，并并啟動(dòng)KI乘法器計(jì)算KI乘以誤差e的結(jié)果。對(duì)對(duì)減法的計(jì)算算結(jié)果取絕對(duì)對(duì)值，并與閥閥值作比較（常常數(shù)比較器），比比較的結(jié)果存存入寄存器。計(jì)計(jì)算e的誤差增量量，即E（K）-E（K-1）

，并用KP乘法器計(jì)算KP乘以誤差增增量的結(jié)果。將KI乘法器計(jì)算的結(jié)果先送入累加器，然后再將KP乘法器計(jì)算的結(jié)果送入累加器；模塊的累加器在每次累加的時(shí)候會(huì)進(jìn)行溢出處理和數(shù)據(jù)超出邊界處理，無(wú)論哪種情況都會(huì)置為邊界值（最大/最小值）。

3.6

PWMM發(fā)生器模塊

PWM發(fā)生器模模塊將PI調(diào)節(jié)后輸出出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化化為PWM波形輸出給IGBT模塊，通過(guò)IGBT的通斷切換換調(diào)整相電壓壓，進(jìn)而改變變相電流按照照給定進(jìn)行變變化。PWM波形的生成成是通過(guò)將給給定控制數(shù)據(jù)據(jù)和載波數(shù)據(jù)據(jù)比較，通過(guò)過(guò)比較二者大大小情況確定定PWM的高低電平平，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制，如圖11所示。

圖11PWMM模塊總體框框圖鋸齒波作為PWWM載波，驅(qū)動(dòng)動(dòng)時(shí)鐘頻率為為200MHHz，14位寄存器寬寬度。為減少少計(jì)數(shù)器的進(jìn)進(jìn)位鏈長(zhǎng)度，采采用計(jì)數(shù)器，拆拆分為3位計(jì)數(shù)器和11位計(jì)數(shù)器，減減少了組合邏邏輯延遲。死死區(qū)保護(hù)發(fā)生生器模塊根據(jù)據(jù)給定的死區(qū)區(qū)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，將將輸入的PWM信號(hào)輸出為PH和PL信號(hào)，分別別對(duì)應(yīng)IGBT的上下橋臂臂，并在PH和PL數(shù)據(jù)的變沿沿插入死區(qū)保保護(hù)（同時(shí)置置為低電平）。插插入的死區(qū)保保護(hù)是通過(guò)上上升計(jì)數(shù)器和和下降計(jì)數(shù)器器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，保保證上橋臂和和下橋臂不同同時(shí)導(dǎo)通。

4

仿真結(jié)結(jié)果對(duì)PWM模塊進(jìn)進(jìn)行功能仿真真，仿真波形形如圖12所示。經(jīng)分分析，六路PWM波滿足時(shí)序序和死區(qū)保護(hù)護(hù)的要求，實(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)所所要達(dá)到的目目。將圖12進(jìn)行放大可可見(jiàn)IGBT死區(qū)如圖13所示。

圖15

步進(jìn)電電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)電電流波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明明步進(jìn)電機(jī)運(yùn)運(yùn)行時(shí)三相電電流相位差120度，三相電電流為正弦波波，電機(jī)運(yùn)行行平穩(wěn)，電機(jī)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行行反相查