基于SOPC的四相步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)

周 磊，成開(kāi)友

（鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城224051）

1 引言

步進(jìn)電機(jī)在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其本身接受數(shù)字脈沖控制。常見(jiàn)的四相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制主要是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)相電流按階梯波變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種細(xì)分控制方法存在步距角不均勻、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不是恒定變化等缺點(diǎn)。為了克服這種控制方法的缺點(diǎn)，只要同時(shí)控制四相步進(jìn)電機(jī)的兩相電流分按正余弦規(guī)律變化即可。設(shè)計(jì)在FPGA中構(gòu)建了一個(gè)SOPC（Programming System On Chip，片上可編程系統(tǒng)）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了該改進(jìn)的控制算法。

SOPC技術(shù)做為一種SOC（System on Chip，片上系統(tǒng)）解決方案，以其特有的軟硬件系統(tǒng)可裁減、實(shí)現(xiàn)容易、成本低、集成度高等特點(diǎn)顯現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力。采用SOPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制信號(hào)輸出不僅提高了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的集成度和可靠性，而且大大降低了控制系統(tǒng)的成本，具有一定的商業(yè)推廣價(jià)值。

2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本原理

常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的相電流按階梯變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示為相電流階梯變化細(xì)分控制。相電流階梯變化時(shí)產(chǎn)生的合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小變化，與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量的大小不是一個(gè)恒定值，所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也不是一個(gè)恒定值；另外相電流的線性增加和減少使得步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角亦不是恒定的。

圖1 相電流階梯變化細(xì)分控制

如圖2所示為兩相電流正余弦變化的細(xì)分控制。由圖2可以看出，只要同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的兩相輸入電流分別按正余弦規(guī)律變化，則合成磁場(chǎng)的大小變化是恒幅的，且步進(jìn)角是恒定的。圖1、2只畫(huà)出了四分之一周的矢量圖，其余四分之三周的與此相似。系統(tǒng)只要輸出兩路按正余弦規(guī)律變化的電流波形，然后通過(guò)一個(gè)波形分配器分配給相應(yīng)的相線圈即可。

圖2 兩相電流正余弦變化的細(xì)分控制

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)圖2所示的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，要求四相步進(jìn)電機(jī)A、B兩相的激勵(lì)電流iA、iB分別按公式（1）、（2）變化，θ為磁場(chǎng)矢量和B相磁場(chǎng)矢量之間的夾角，即：

對(duì)步進(jìn)電機(jī)一般都是通過(guò)PWM電壓脈沖來(lái)控制的。相線圈對(duì)輸入的PWM電壓波形具有平滑作用，即線圈的輸入電流與PWM波形脈沖的面積成正比。因此，要想得到公式（1）、（2）的相電流，就要求A、B兩相的PWM的矩形脈沖面積按正余弦規(guī)律變化。PWM波形是幅值不變的矩形脈沖，因此只要控制PWM波形的占空比按照正余弦規(guī)律變化即可。在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的步進(jìn)電機(jī)對(duì)占空比數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)。

由圖2可知，系統(tǒng)需要同時(shí)輸出兩路PWM波形，因此系統(tǒng)的硬件部分由NiosⅡ軟核CPU配以相應(yīng)的輸入和顯示接口IP核，然后添加兩個(gè)基于Avalon總線接口的VHDL編寫(xiě)的PWM組件IP核構(gòu)成，如圖3所示。系統(tǒng)的頂層視圖如圖4所示，主要由鎖相環(huán)模塊pll_do、niosⅡCPU模塊和波形分配器模塊pha_cha_con組成。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分采用可移植、固化和裁減的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)—MicroC/OSⅡ。綜合考慮了PWM波形的頻率對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的影響以及采樣位數(shù)和深度對(duì)PWM波形頻率的影響，折衷確定了PWM占空比采樣深度為15位，四分之一周期的正弦波采樣點(diǎn)數(shù)為513點(diǎn)，單區(qū)間磁場(chǎng)矢量細(xì)分步數(shù)為512步，那么轉(zhuǎn)子齒數(shù)為5個(gè)的四相步進(jìn)電機(jī)最大的細(xì)分步數(shù)可以確定為10240步。

fPWM為PWM波形的頻率；fclk為NIosⅡ系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，設(shè)定為100 MHz；CR為PWM周期寄存器值，由于采樣深度為15位，相應(yīng)的采樣最大值為215-1，故而CR的值就設(shè)定為采樣最大值。PWM波形占空比數(shù)據(jù)按照公式（3）進(jìn)行采樣，PWM波形頻率按照公式（5）計(jì)算約為3.05 kHz。

系統(tǒng)以全局變量sin_cos［513] 來(lái)存儲(chǔ)PWM占空比正弦數(shù)據(jù)，余弦的數(shù)據(jù)可根據(jù)公式（4）來(lái)得到。系統(tǒng)編寫(xiě)了5個(gè)進(jìn)程：初始化進(jìn)程initialize_task；鍵盤(pán)處理進(jìn)程key_do；步進(jìn)間隔時(shí)間修改進(jìn)程time_interval_do；占空比取值步數(shù)修改進(jìn)程step_change；修改PWM組件占空比寄存器進(jìn)程pwm_do_fix。郵箱mail_send_pwm_date負(fù)責(zé) key_do進(jìn)程和step_change進(jìn)程之間的通信，mail_subdivide_tran郵箱負(fù)責(zé)step_change進(jìn)程和pwm_do_fix進(jìn)程之間的通信。

5 仿真結(jié)果與分析

如圖5所示為320步細(xì)分時(shí)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的ModelSim仿真結(jié)果。A相和B相的PWM波形完全符合公式（1）、（2）的要求。

系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了基于SOPC的四相步進(jìn)電機(jī)“兩相電流正余弦變化的細(xì)分控制”以及 10240、5120、2560、1280、640、320、160、80、40、20 步可調(diào)，并實(shí)現(xiàn)最大可調(diào)步進(jìn)間隔時(shí)間為59分59秒999毫秒。而經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)整，利用同樣的思路完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制。

圖4 系統(tǒng)頂層視圖

圖5 細(xì)分步數(shù)為320步時(shí)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的仿真波形

［1] 潘 松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2007：357-365.

［2] 潘 松，黃繼業(yè)等.SOPC技術(shù)使用教程［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2004.

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［4] 郭書(shū)軍等.嵌入式處理器原理及應(yīng)用-Nios系統(tǒng)設(shè)計(jì)和C程序設(shè)計(jì)［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［5] 王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)［M] .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1984.