CN110912476A - 一种步进电机细分控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机细分控制系统及其控制方法，所述系统包含：依次连接的FPGA、功率驱动芯片、两相步进电机和谐波减速器；其中，FPGA中包含，比较器模块；正余弦信号模块，输出正余弦信号至比较器模块；锯齿波信号模块，输出锯齿波信号至比较器模块；所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化。本发明提供的步进电机细分控制方法，删去了传统步进电机控制方案中的D/A转换电路，直接通过数字信号比较的方式产生PWM信号驱动步进电机转动，降低工程成本，提高系统可靠性。

Description

一种步进电机细分控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及步进电机技术领域，具体涉及一种步进电机细分控制系统及其控制方法。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进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。

步进电机是一种由脉冲个数控制转动角度，脉冲频率控制转动速度的电机类型。其优点是控制原理简单、可直接实现数字控制、机械结构坚固耐用等，但其缺点是步距角固定，通常磁阻式步进电机的步距角为0.36°～7.5°，定位误差较大。为了提高步进电机定位精度，通常采用细分驱动方案，即通过软件算法的方式细分步距角，提高步进电机定位精度。除此之外细分方法还能减少步进电机低频振动和失步等现象，有效提升步进电机的应用性能。

在某些需要高精度定位的领域，如星载微波雷达中天线指向精度常常要求达到角分级，甚至角秒级。此时步进电机必须通过细分控制再加减速器的组合才能达到如此高的精度。以两相步进电机为例，目前常用的细分控制方案是首先通过数字控制器产生数字正余弦信号，然后通过D/A转换器将数字信号转换成模拟正余弦信号并与步进电机两相绕组电流进行比较产生PWM信号，PWM信号经过功率放大电路加载到电机两相绕组上，使一相绕组电流按照正弦规律变化，另一相绕组电流按照余弦规律变化，从而形成圆形转动的磁场，带动步进电机转子转动。此方案的缺陷在于：(1)电机转动过程中绕组电流存在较多毛刺，与正余弦信号比较时PWM信号频繁跳变从而使功率放大电路频繁开关，增大了三级管开关损耗和失效风险，并且绕组电流逼近正余弦曲线的误差也较大，电机转动平稳性降低；(2)D/A转换电路的存在既增加了成本，同时还增加了一个失效环节，特别是在卫星这种要求高可靠性的场景，减少一个串联环节可以更好地保障系统可靠性。

针对步进电机的细分控制方法，目前国内专利CN207588746U(步进电机细分控制电路)介绍了一种步进电机细分控制电路，包括控制器、环形分配器、DAC转换器(数模转换器，将数字信号转换为模拟值)、比较斩波器、PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)合成电路、功率驱动电路。该专利采用细分数字信号DAC转换成模拟信号后进行比较斩波的方式生成PWM信号。而本发明直接采用数字比较产生PWM信号，和本发明方法不同。

专利CN108809171A(一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路)介绍了一种太阳帆板驱动机构所使用的步进电机的细分控制方法，该专利采用D/A转换电路产生正余弦参考信号，而本发明未采用D/A转换电路。

专利CN108092576A(一种步进电机细分驱动系统)介绍了一种步进电机细分驱动系统，包括步进电机驱动电路、光电隔离电路、单稳态触发器、稳定电源、微处理器等。该专利主要是应用L6208驱动芯片来完成细分控制，本发明未采用L6208驱动芯片，而是通过FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)编程的方式来实现细分功能。

2017年第27期的《机电信息》期刊中公开文献《步进电机细分驱动系统设计》介绍了一种采用单片机AT89S52控制步进电机转动的方法，该文献未具体说明细分信号的工程实现，且硬件架构与本发明不同。

2016年第6期的《机电产品开发与创新》期刊中公开文献《步进电机细分驱动技术Simulink仿真》详细分析了步进电机细分驱动技术的原理，搭建了基于Matlab/Simulink的细分控制模型，该模型需要通过A/D转换器将绕组电流转换为数字信号并在控制器中进行电流的闭环控制，该方案工程实现较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种步进电机细分控制方法，删去了传统步进电机控制方案中的D/A转换电路，直接通过数字信号比较的方式产生PWM信号驱动步进电机转动，降低工程成本，提高系统可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种步进电机细分控制系统，所述系统包含：依次连接的FPGA、功率驱动芯片、两相步进电机和谐波减速器；

其中，FPGA中包含，

正余弦信号模块，输出正余弦信号至比较器模块；

锯齿波信号模块，输出锯齿波信号至比较器模块；

比较器模块，该比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化。

较佳地，所述功率驱动芯片的A相输出连接至两相步进电机的A相绕组，所述功率驱动芯片的B相输出连接至两相步进电机的B相绕组。

本发明还提供一种步进电机细分控制方法，该方法包含如下步骤：

S1，FPGA中的正余弦信号模块输出正余弦信号至比较器模块；

S2，FPGA中的锯齿波信号模块输出锯齿波信号至比较器模块；

S3，所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号至所述功率驱动芯片，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化；

S4，所述功率驱动芯片输出连接至两相步进，驱动步进电机转动；

S5，所述步进电机输出步距角至谐波减速器，根据转矩需求和角分辨率需求选择减速比。

较佳地，所述S1步骤中，正余弦信号模块输出正余弦信号的具体步骤如下：

步骤一，按如下公式离线计算得到正弦数值y(k)：

其中，N代表细分数，M代表信号幅值，k＝0…N，k即为数据地址；

步骤二，将步骤一计算得到的(N+1)个正弦数值取整后存储到FPGA的ROM中；

步骤三，FPGA按地址0→N→0→N→0的顺序依次读取ROM数据，输出一个周期的正弦信号，同时FPGA输出正弦信号的方向，前二分之一周期记为0，代表正弦信号的值为正，后二分之一周期记为1，代表正弦信号值为负；

步骤四，FPGA按地址N→0→N→0→N的顺序依次读取ROM数据，输出一个周期的余弦信号，同时FPGA输出余弦信号的方向，前四分之一周期为0，代表余弦信号的值为正，中间二分之一周期为1，代表余弦信号值为负，最后四分之一周期为0。

较佳地，所述S2步骤中还包含：在锯齿波信号模块中设有一个1～M的循环计数器，该M的大小决定所述PWM信号的频率。

较佳地，当FPGA的时钟频率为Clk，则PWM信号的频率为Clk/M，所述PWM信号的频率控制在5kHz～20kHz范围。

较佳地，S3步骤中所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号至所述功率驱动芯片，具体如下：

1)当锯齿波信号小于正弦信号时，比较器模块的输出信号F_PWM_A为1，反之输出信号F_PWM_A为0，此输出信号F_PWM_A输出至所述功率驱动芯片，同时将S1中的正弦方向信号输出至所述功率驱动芯片；

2)当锯齿波信号小于余弦信号时，比较器模块的输出信号F_PWM_B为1，反之输出信号F_PWM_B为0，此输出信号F_PWM_B输出至所述功率驱动芯片，同时将S1中的余弦方向信号输出至所述功率驱动芯片。

较佳地，所述功率驱动芯片输出连接至两相步进电机，具体如下：

所述功率驱动芯片的A相电路输出连接至步进电机的A相绕组，所述功率驱动芯片的B相电路输出连接至两相步进电机的B相绕组。

本发明取得如下有益效果：

1.本发明在FPGA内部对正余弦信号进行了细分，通过细分驱动技术和谐波减速器提高了步进电机的精度和运行平稳性，克服了高精度定位问题。

2.本发明删去了传统控制方案中的D/A转换电路，降低了工程实现成本，减少了失效环节，提高了系统可靠性，满足星载驱动机构的高可靠性要求。

附图说明

图1为本发明的步进电机细分控制系统的整体结构示意图。

图2为本实施例的正余弦曲线细分示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，本发明提供了一种步进电机细分控制系统，如图1所示，所述系统包含：

依次连接的FPGA、功率驱动芯片、步进电机和谐波减速器；

其中，FPGA中包含，

正余弦信号模块，输出正余弦信号；

锯齿波信号模块，输出锯齿波信号；

比较器模块，所述正余弦信号模块输出的正余弦信号和所述锯齿波信号模块输出的锯齿波信号同时传输至比较器模块，所述比较器模块比较所述正余弦信号和所述锯齿波信号，输出PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)信号，PWM信号的占空比(指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例)按正余弦信号的规律变化；

所述功率驱动芯片，集成了H桥电路的功率放大芯片，通过PWM信号控制电路通断，通过方向控制信号控制电流流动方向，所述功率驱动芯片具有较大的电流输出能力，从而使电机输出较大的转动力矩。

所述步进电机，将电脉冲信号转变为角位移和/或线位移，输出转矩和角分辨率至所述谐波减速器；

所述谐波减速器，放大所述转矩和提高角分辨率。

进一步地，所述步进电机为两相步进电机，有A相绕组和B相绕组，所述功率驱动芯片选择LMD18200芯片；

进一步地，所述LMD18200芯片集成了两组H桥电路，分别称为A相电路和B相电路，A相电路有两个输入控制引脚分别为PWM信号输入引脚“PWM_A”和方向控制信号输入引脚“DIR_A”，A相电路有两个输出引脚连接至两相步进电机的A相绕组；

同理，所述LMD18200芯片B相电路有两个输入控制引脚分别为PWM信号输入引脚“PWM_B”和方向控制信号输入引脚“DIR_B”，B相电路有两个输出引脚连接至两相步进电机的B相绕组。

进一步地，所述谐波减速器，其减速比的选择主要考虑输出转矩需求和角分辨率需求。在一个实施例中，两相步进电机步距角为1.8°，细分数选择为10，减速比为100时，输出的角分辨率可达到0.0018°，即6.48角秒左右，同时输出转矩放大100倍，可满足星载驱动机构的精度和转矩要求。

另一方面，本发明提供了基于上述步进电机细分控制系统的细分控制方法，该方法包含如下步骤：

S1，FPGA中的正余弦信号模块，输出正余弦信号；

具体地，由于FPGA很难实现正余弦计算，因此，首先按式(1)离线计算得到正弦数值y(k)：

其中，N代表细分数，M代表信号幅值，k＝0…N，k即为数据地址；

随后，将上述计算得到的(N+1)个正弦数值取整后存储到FPGA的ROM(Read OnlyMemory，唯读记忆体，用来存储和保存数据，ROM数据不能随意更新，在任何时候都可以读取，即使是断电，ROM也能够保留数据)中；

随后，当FPGA按地址0→N→0→N→0的顺序依次读取ROM数据时，即可输出一个周期的正弦信号，同时FPGA输出该正弦信号的方向，前二分之一周期记为0，后二分之一周期记为1，即0代表正弦信号的值为正，1代表正弦信号值为负；

余弦信号的产生方法，当FPGA按地址N→0→N→0→N的顺序依次读取ROM数据时，即可输出一个周期的余弦信号，同时FPGA输出该余弦信号的方向，前四分之一周期为0，中间二分之一周期为1，最后四分之一周期为0，即0代表余弦信号的值为正，1代表余弦信号值为负。

在一个具体实施例中，当N取8，M取1时得到的正余弦曲线细分示意图，如图2所示，阶梯状曲线是8细分后FPGA产生的实际的正余弦曲线，光滑曲线是理想的正余弦曲线。8细分指的是N取8。

S2，FPGA中的锯齿波信号模块，输出锯齿波信号；

具体来说，在锯齿波信号模块中设有一个1～M的循环计数器，其中M的大小决定所述PWM信号的频率，此M值和S1中的M值大小相等。当FPGA的时钟频率为Clk，则PWM信号的频率为Clk/M，M值选取不能过小，否则S1中正余弦信号的取整误差会比较大，同时PWM信号频率Clk/M控制在5kHz～20kHz范围内。在一个具体实施例中，FPGA的时钟频率Clk等于30MHz时，则M的取值范围为1500～6000之间，此M的取值范围是根据FPGA时钟频率Clk变化而变化的，只要最终保证Clk/M在5kHz～20kHz范围内即可。

S3，所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号至所述功率驱动芯片，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化；

具体来说，

1)当锯齿波信号小于正弦信号时，输出F_PWM_A信号为1，反之输出F_PWM_A信号为0，此F_PWM_A信号输出至所述LMD18200芯片的“PWM_A”引脚，同时将S1中的正弦方向信号输出至所述LMD18200芯片的“DIR_A”引脚；

2)当锯齿波信号小于余弦信号时，输出F_PWM_B信号为1，反之输出F_PWM_B信号为0，此F_PWM_B信号输出至所述LMD18200芯片的“PWM_B”引脚，同时将S1中的余弦方向信号输出至所述LMD18200芯片的“DIR_B”引脚；

本发明中，“引脚”是从集成电路(芯片)内部电路引出与外围电路的接线，所有的引脚就构成了这块芯片的接口。

S4，所述功率驱动芯片的A相电路输出连接至步进电机的A相绕组，所述功率驱动芯片的B相电路输出连接至两相步进电机的B相绕组，驱动步进电机转动；

S5，所述步进电机输出步距角至谐波减速器，根据转矩需求和角分辨率需求选择减速比。

综上所述，第一方面，本发明提供了一种步进电机细分控制系统，该系统包括现场可编程门阵列(FPGA)、功率驱动芯片LMD18200、两相步进电机、谐波减速器。该系统通过正余弦信号细分复加谐波减速器的方式，可提高步进电机的定位精度和转动平稳性。

第二方面，本发明基于上述系统提供了一种步进电机细分控制方法，该方法通过FPGA编程产生正余弦细分信号和方向信号，细分数可调，通过FPGA编程实现锯齿波信号且该锯齿波信号频率可调，通过FPGA编程实现比较器功能，正余弦细分信号和锯齿波信号比较后产生PWM信号；将所述PWM信号和方向信号输出至LMD18200芯片相应管脚，驱动步进电机转动；该方法附加一级谐波减速器，进一步提高角度分辨率和输出转矩。该方法提供了FPGA中正余弦信号模块、锯齿波信号模块和比较器模块的生成方式。本发明还提供了FPGA、功率驱动芯片LMD18200、两相步进电机和谐波减速器之间的连接关系。本发明提供的步进电机细分控制方法，删去了传统步进电机控制方案中的D/A转换电路，直接通过数字信号比较的方式产生PWM信号驱动步进电机转动，降低工程成本，提高系统可靠性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种步进电机细分控制系统，其特征在于，所述系统包含：依次连接的FPGA、功率驱动芯片、两相步进电机和谐波减速器；

其中，FPGA中包含，

正余弦信号模块，输出正余弦信号至比较器模块；

锯齿波信号模块，输出锯齿波信号至比较器模块；

比较器模块，该比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化。

2.如权利要求1所述的步进电机细分控制系统，其特征在于，所述功率驱动芯片的A相输出连接至两相步进电机的A相绕组，所述功率驱动芯片的B相输出连接至两相步进电机的B相绕组。

3.一种如权利要求1～2中任一项所述的步进电机细分控制方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1，FPGA中的正余弦信号模块输出正余弦信号至比较器模块；

S2，FPGA中的锯齿波信号模块输出锯齿波信号至比较器模块；

S3，所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号至所述功率驱动芯片，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化；

S4，所述功率驱动芯片输出连接至两相步进，驱动步进电机转动；

S5，所述步进电机输出步距角至谐波减速器，根据转矩需求和角分辨率需求选择减速比。

4.如权利要求3所述的步进电机细分控制方法，其特征在于，所述S1步骤中，正余弦信号模块输出正余弦信号的具体步骤如下：

步骤一，按如下公式离线计算得到正弦数值y(k)：

其中，N代表细分数，M代表信号幅值，k＝0…N，k即为数据地址；

步骤二，将步骤一计算得到的(N+1)个正弦数值取整后存储到FPGA的ROM中；

步骤三，FPGA按地址0→N→0→N→0的顺序依次读取ROM数据，输出一个周期的正弦信号，同时FPGA输出正弦信号的方向，前二分之一周期记为0，代表正弦信号的值为正，后二分之一周期记为1，代表正弦信号值为负；

步骤四，FPGA按地址N→0→N→0→N的顺序依次读取ROM数据，输出一个周期的余弦信号，同时FPGA输出余弦信号的方向，前四分之一周期为0，代表余弦信号的值为正，中间二分之一周期为1，代表余弦信号值为负，最后四分之一周期为0。

5.如权利要求4所述的步进电机细分控制方法，其特征在于，所述S2步骤中还包含：在锯齿波信号模块中设有一个1～M的循环计数器，该M的大小决定所述PWM信号的频率。

6.如权利要求5所述的步进电机细分控制方法，其特征在于，当FPGA的时钟频率为Clk，则PWM信号的频率为Clk/M，所述PWM信号的频率控制在5kHz～20kHz范围。

7.如权利要求3所述的步进电机细分控制方法，其特征在于，S3步骤中所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号至所述功率驱动芯片，具体如下：

1)当锯齿波信号小于正弦信号时，比较器模块的输出信号F_PWM_A为1，反之输出信号F_PWM_A为0，此输出信号F_PWM_A输出至所述功率驱动芯片，同时将S1中的正弦方向信号输出至所述功率驱动芯片；

2)当锯齿波信号小于余弦信号时，比较器模块的输出信号F_PWM_B为1，反之输出信号F_PWM_B为0，此输出信号F_PWM_B输出至所述功率驱动芯片，同时将S1中的余弦方向信号输出至所述功率驱动芯片。

8.如权利要求3所述的步进电机细分控制方法，其特征在于，所述功率驱动芯片输出连接至两相步进电机，具体如下：

所述功率驱动芯片的A相电路输出连接至步进电机的A相绕组，所述功率驱动芯片的B相电路输出连接至两相步进电机的B相绕组。

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