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基于FPGA技术的步进电机控制的设计


制 造

中国科技信息 2010 年第 8 期    CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2010

DOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2010.08.031

基于 FPGA 技术的步进电机控制的设计
杨树兴  锦州市机电工程学校 

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摘  要 步进电机是一种使用非常广泛且易于精确 控制的执行元件,随着微电子技术的发 展,其控制方法多种多样。本文介绍了 基于 FPGA 技术的步进电机控制的设计。 关键词 F P G A ;步进电机;加减速;方向控制 Abstract Step motor is a kind of actuating element. It is used widely and easy to be controlled accurately. As the development of microelectronics technology, there are various control ways. The article introduces the control design of step motor, according to FPGA technology. Key words FPGA;step motor; acceleration and deceleration; direction control

1 、引言
随着步进电机广泛地应用于数字 控制系统中作为伺服元件,对步进电 机在实时性和灵活性等性能上的要求越 来越高。那么如何灵活、有效地控制 步进电机的运转成为研究的主要方向。 这里采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA) ,通过 V H D L 语言编程来实现 四相步进电机的控制。利用 FPGA 设 计具有以下优点: 硬件设计软件化:F P G A 的开发 在功能层面上可以基本上脱离硬件而在 EDA 软件上做软仿真。当功能确定无 误后可以进行硬件电路板的设计。最 后将设计好的,由 EDA 软件生成的烧 写文件下载到配置设备中去,进行在 线调试,如果这时的结果与要求不一 致,可以立即更改设计软件,并再次 烧写到配置芯片中而不必改动外接硬件 电路。进行分层模块设计后系统设计 变得更加简单,在实时性和灵活性等 性能上都有很大的提高,有利于步进 电机的运动控制。 高度集成化,高工作频率:一般 的 FPGA 内部都集成有上百万的逻辑

门,可以在其内部规划出多个与传统 小规模集成器件功能相当的模块。另 外,一般的 FPGA 内部都有 PLL 倍频 和分频电路模块,这样可以在外部采 用较低频率的晶振而在内部获得较高频 率的时钟,进一步解决了电磁干扰和 电磁兼容问题。

2 、控制系统的硬件组成
步进电机控制的最大特点是开环 控制,不需要反馈信号。因为步进电 机的运动不产生旋转量的误差累积。 由 FPGA 实现的步进电机控制系统结 构如图 1 所示。控制系统中的核心芯 片是 F P G A ,如虚线所示。它由两大 功能模块组成:移位定位控制模块和 方向控制模块,其中,移位控制模块 的核心是锁相环 PLL 宏模块电路,它 在不同速度控制信号作用下,可将经 时钟分频器分频后的系统时钟改变为不 同的 P W M 信号,将此信号作为速度 控制模块的变频时钟,可达到改变步 进电机速度的目的。方向控制模块的 核心是脉冲分配电路,在每一个变频 时钟周期内,脉冲分配器可在不同的 方向控制信号下产生不同方向的步进时 序脉冲,从而控制步进电机顺时针或

图 1  步进电机 FPGA 控制系统框图

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逆时针转动。 步进电机的驱动电路根据控制信 号工作,将 FPGA 提供的弱电信号放 大为步进电机能够接受的强电信号。 FPGA提供给驱动器的信号主要有步进 脉冲信号 CP 和方向控制信号 DIR,可 用于步进电机的转向控制,通过改变 发出的脉冲频率可以进行步进电机的速 度控制。

3 、步进电机的 F P G A 的控制
3.1 步进电机的加减速控制 从步进电机的矩频特性可知,步 进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升 而下降,启动频率越高,启动转矩就 越小,带动负载的能力就越差,启动 时容易造成失步,而在停止时又会发 生过冲。要使步进电机快速地达到所

要求的速度又不失步或过冲,其关键 在于使加速过程中加速度所要求的转矩 既能充分利用各个运行频率下步进电机 所提供的转矩,又不能超过这个转 矩。因此,步进电机的运行一般要经 过加速、匀速、减速三个阶段,要 求加减速过程时间尽量的短,恒速时 间尽量长。特别是在要求快速响应的 工作中,从起点到终点运行的时间要 求最短,这就必须要求加速、减速的 过程最短,而恒速时的速度最高。而 以前升速和降速大多选择按直线规律, 采用这种方法时,它的脉冲频率的变 化有一个恒定的加速度。在步进电机 不失步的条件下,驱动脉冲频率变化 的加速度和步进电机转子的角加速度成 正比。在步进电机的转矩随脉冲频率

的上升保持恒定时,直线规律的升 降速才是理想的升降速曲线,而步 进电机的转矩随脉冲频率的上升而 下降,所以直线就不是理想的升降 速曲线。因此,按直线规律升降速这 种方法虽然简单,但是它不能保证 在升降速的过程中步进电机转子的 角加速度的变化和它的输出力矩变 化相适应,不能最大限度的发挥电 机的加速性能。改变这一状况的办 法就是寻求按指数规律升降速的离 散控制算法,经多次运行,以达到预 期目标。 由步进电机的动力学方程和矩频 特性曲线, 在忽略阻尼转矩的条件下, 可以推导出如下方程 :

图2 指数规律加减速曲线

该方程为步进电机的升速特性, 由此可绘制出电机升速曲线, 如图2所 示。 该方程表明驱动脉冲的频率f应随 时间t作指数规律上升, 这样就可以在 较短的时间内使步进电机的转速上升至 要求的运行速度。 鉴于大多数的步进电 机的矩频特性都近似线性递减的, 所以 上述的控制规律为最佳。 将上升段均匀地离散成几段,即 为阶梯升速的分档数。对于每档的上 升时间、频率、各分档速度的运行步 数及总的升速步数计算出来,并将相 应的数据编入程序中。程序执行过程 中,对每一档速度下运行的步数都要 进行减1运行,当减至0时,表明该 档速度应走的步数已经走完,再进入 下一档速度,直至循环到给出的速度 大于或等于给定的速度为止。减速过 程与之刚好相反。 3.2 步进电机的方向控制 方向控制模块的核心是脉冲分配 电路,它的两个输入信号,一个是 P W M 信号构成的变频时钟,每输入 一个 P W M 脉冲,脉冲分配器的输出 时序将发生一次变化,从而使步进电 机转动一步;另一个是方向控制信 号,它的不同状态将使脉冲分配器产
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图3 步进电机方向控制流程图

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图 10  SAGITTA 差分信号接收机 3)如更换接收机后还收不到差分 信号, 说明故障有可能出在其他电路或 接收天线上, 可以找一个工作正常的流 动站接到故障车来确认是主机问题还是 天线问题, 如果是天线问题, 则需要检 查数传电台天线以及馈线的连接情况是 否良好; 4)值得注意的是,当 GPS 接收天 线盘有问题时,如果接收到的卫星 数达不到要求,GPS 流动站也无法工 作在差分模式下。图 11 中的 G P S 流 动站天线盘损坏后,始终只收到两 颗卫星,因此无法正常工作,但也显 示没有收到差分信号。

如果所有流动站开机后很长时间 GPS 指示灯不闪烁或接收到的卫星数 不 够 时 ,请检查: 1)在长期不用或重新复位以及接 收机中开机前所保存的坐标与实际 位置相差很远时,接收卫星会很慢; 2)环境很差、在树丛里、或两边 是高楼大厦,遮挡严重; 3)周围存在大功率电动机或无线 电干扰设备; 4)数据电台频率太接近 GPS 数传 电台工作频率, 或两根天线太靠近。 如果是某个流动站开机后很长时 间 GPS 指示灯不闪烁或接收到的卫星 数不够时,请检查: 1)在长期不用或重新复位以及接 收机中开机前所保存的坐标与实际位置 相差很远时,接收卫星会很慢; 2)环境很差、在树丛里、或两边 是高楼大厦,遮挡严重; 3)震源本身的电动机、发电机或 其他电器设备存在无线电干扰; 4)检查 GPS 卫星接收天线盘馈线 连接是否完好,是否松动、短路、断 路等; 5)GPS卫星接收天线盘是否正常, 更换 GPS 天线再试。

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生不同方向的步进时序脉冲,从而控 制步进电机的转动方向。若步进电机 采用四相八拍的控制方式,定子通电 顺序为 A - A B - B - B C - C - C D - D - D A - A。则方向控制模块的状态流程图如 图 3 所示。其中 D=1 表示电机顺时针 转动,D = 0 表示电机逆时针转动。

4 、结论
当前对步进电机的控制的方法比 较多,采用 FPGA 控制步进电机的方 法有效地克服了工作现场的电磁干扰对 控制器件的影响,同时由于通过编程 的方法使得控制过程具有相当的灵活 性,可以满足用户的不同要求,简化 了硬件设计,降低了成本。因此 FPGA控制步进电机的方法得到了广泛 的应用。

7 结束语
本文根据野外操作经验,总结了 SAGITTA 在施工中需要注意的各项事 项, 并搜集了可能出现的各种故障, 并 对故障进行了分析, 提出了解决办法。

图 11  有故障接收天线盘接收卫星 情况 6.3 GPS接收机收不到卫星信号

参考文献 [1]  刘宝廷,程树康,等.步进电动 机及其驱动控制系统 [M].哈尔滨工业 大学出版社.1997 [2] 贡亚丽,王文明. FPGA 在步进 电机控制中的应用 [J].电子技术. 2 0 0 7 ,0 5 [3] 林海波.步进电机恒力矩均匀细分 驱动器的设计与实现 [J].自动化技术 与应用.2003,22 [4]  刘加峰,芦勤,等.步进电机控 制电路一种基于FPGA的实现 [J].微 计算机应用.2007,08
作者简介 杨树兴{ 1 9 6 3 - } ,男,山东泰安籍,本 科,现任锦州市机电工程学校副校长。

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