CN201742364U

CN201742364U - 二相混合式步进电机spwm细分驱动器

Info

Publication number: CN201742364U
Application number: CN201020276815XU
Authority: CN
Inventors: 杨秀增
Original assignee: Guangxi Normal University for Nationalities
Current assignee: Guangxi Normal University for Nationalities
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2020-07-30

Abstract

本实用新型公开了一种二相混合式步进电机细分驱动器，采用现场可编程门列阵(FPGA)来实现步进电机的细分控制，包括有顺序连接的地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器、数字变相器和功率驱动电路。本二相混合式步进电机细分驱动器采用了电流矢量恒幅均匀旋转细分法，实现步进电机恒转矩细分；利用脉宽调制(PWM)技术来控制步进电机励磁输出电流。测试表明，本实用新型二相混合式步进电机细分驱动器工作稳定，能有效地改善二相混合式步进电机的低频振动和高频失步等缺点，在提高步进电机运行性能方面，具有明显的优势。

Description

二相混合式步进电机SPWM细分驱动器

技术领域

本实用新型涉及步进电机的细分驱动，更具体地说是涉及一种二相混合式步进电机SPWM细分驱动器。

背景技术

两相混合式步进电机驱动控制系统具有价格低、控制简单、容易维护等优点，广泛应用在机床控制、天线控制和工业自动化等领域，但两相混合式步进电机的性能与其驱动方式密切相关。

细分驱动在消除步机电机低频振荡，改善步进电机的高频失步率和提高步进电机的分辨率等方面具有较好优势，因此，在步机电机的驱动中，细分驱动得到较为广泛地应用。目前，市场上的主流驱动技术采用正弦波可变细分驱动技术。

步进电机的细分驱动控制是通过控制电机励磁绕组中的电流，使其内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场来实现的。合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转转矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。为了得到尽量圆形的合成磁场，且使步距角变化均匀，绕组电流参考信号采用阶梯状正弦波形较为理想。对于两相混合式步进电机，要同时改变其两相电流的大小和方向，使电流合成矢量等幅均匀旋转。细分驱动就是用有限的数字化电压量模拟正余弦电压(电流)。具体实现方法是：根据电机运行所要求的最大细分数N，在零到最大相电流之间按正弦方式划分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E²PROM或者ROM中。通常步进电机细分驱动有等电流细分驱动法和电流矢量恒幅均匀旋转法，等电流细分驱动法未能实现恒转矩细分驱动，而电流矢量恒幅均匀旋转法，由于在其励磁绕组中同时通以具有一定相位差而幅值相同的正弦波阶梯电流，其合成的转矩大小不仅恒定，而且其步距角是均匀的，因此，电流矢量恒幅均匀旋转法，使步进电机有良好的矩频特性，是实现步进电机细分驱动的首选。

此外，目前的步进电机细分驱动器，一般采用的是单片机控制技术。由于单片机控制是通过一条条地执行内置软件进行来实现的，因而会导致单片机控制的实时性比较差。

实用新型内容

本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的目的，是在于提供一种能解决上述采用非细分驱动法驱动二相混合式步进电机时出现的低频振荡和高频失步等问题的解决方案。

为了较好地解决上述问题，本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，采用了电流矢量恒幅均匀旋转法，并且还采用了脉宽调制(PWM)技术，来控制细分驱动的输出电流。其具体电路包括有用于产生ROM地址的地址发生器，存储有励磁电流数据的双口ROM，PWM调制器，步进电机双H桥功率驱动电路，还包括有数据变换器、PI调节器、数字变相器；所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器、数字变相器和步进电机双H桥功率驱动电路顺序相连：

1)所述地址发生器，其输入信号端接收从上级步进电机联动控制模块传送来的步进脉冲信号、方向控制信号和暂停信号，并根据所述方向控制信号和暂停信号对步进脉冲信号进行加1或减1、以及暂停计数；所述计数结果，分别作为所述双口ROM的A和B相地址，它们之间的相位差为π/2；所述地址发生器，还向后级的数据变换器和数字变相器发送A相和B相极性信号；

2)所述双口ROM，包含二套相互独立的输入和输出口，该ROM中存放着一个周期的按正弦阶梯波变化的励磁电流数据；为了提高步进电机的细分驱动的分辨率，在所述双口ROM中，可存放有1024个正弦波励磁电流数据点，它们幅值的取值范围为0～1023。

3)所述数据变换器，可根据所述地址发生器发送来的A相和B相的极性信号，把从所述双口ROM中双口输出的一个周期的正弦数据变换成以x轴对称的A相和B相两路正弦数据，并分别送至各自的PI调节器；

4)为了能提高步进电机励磁绕组中电流的控制精度、加快系统的动态响应速度，在本实用新型电路中，专门设计了PI调节器：两个PI调节器，根据上述的本路正弦数据和从步进电机本相采样绕组的反馈电压信号之间的差值分别进行PI调节，向各自的PWM调制器输出相应的PI调节控制信号，用输出调节信号分别去控制各自的PWM调制器的输出；

5)所述两PWM调制器，对前述本路PI调节器传来的控制信号值分别进行PWM调制，向数字变相器分别输出占空比不同的两路PWM控制信号；

6)所述数字变相器，根据所述地址发生器发送来的A相和B相极性信号，对前述两PWM调制器的输出信号进行变相处理，从AH、BH、AL和BL端口向后级的步进电机双H桥功率驱动电路输出方向变化的步进电机PWM细分驱动信号。所述数字变相器，是一个PWM调制器输出信号变相处理电路；所述变相处理，即根据输入的A和B相位改变输出电流方向：

当0～π时，AH和BH接各自的PWM调制信号，AL和BL接地；当π～2π时，AL和BL接各自的PWM调制信号，AH和BH接地；

或者，

当0～π时，AL和BL接各自的PWM调制信号，AH和BH接地；当π～2π时，AH和BH接各自的PWM调制信号，AL和BL接地；

为避免前后级电路间产生干扰，提高系统的稳定性，在所述步进电机功率驱动电路与其前级电路之间，设置有光电耦合隔离器件。

本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器中采用的步进电机功率驱动电路，可采用现有技术中的步进电机双H桥功率驱动电路。

上述二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器及数字变相器，可采用各相应分立电路、数字电路、集成电路或单片机电路组成或实现，例如地址发生器可用数字计数器实现，双口ROM可用两个独立的E²PROM芯片实现。但优选地，将所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器及数字变相器集成在同一个FPGA中实现，其具体方案如下：

(1)地址发生器设计

地址发生器实质上是一个脉冲加减计数器，能根据方向控制信号和暂停信号对步进脉冲信号进行加(减)1和暂停计数，其Verilog HDL设计代码如下：

module address_creat(iclk，addr_a，addr_b，a_p，b_p，d_c，p)；

input d_c， //方向控制信号

iclk， //步进脉冲信号

p； //暂停信号，高电平暂停

output reg [9:0]addr_a，addr_b； //地址输出

output a_p，b_p； //相极性信号

always@(posedge iclk & (！p)) //步进脉冲上升沿有效，如P为高电平，计数器

停止计数。

begin

if(d_c) //如d_c为高电平时，加1，电机正转

addr_a＝addr_a+1；

else //否则，减1，电机反转

addr_a＝addr_a-1；

addr_b＝addr_a+255； //得到B相地址，相差255个点

end

assign a_p＝addr_a[9]； //A相极性信号

assign b_p＝addr_b[9]； //B相极性信号

endmodule

(2)双口ROM设计

为了实现二相混合式步进电机恒转矩细分驱动，要在驱动器中存储器中存放好二路按正弦阶梯波变化的励磁电流数据，并且它们的相位差为π/2。在本系统中，把存储器设计成双口ROM的形式。所谓的双口ROM是指，在一个ROM中有二个相互独立的输入和输出口。为了提高二相混合式步进电机的分辨率，在这个ROM中，存放了1024个(刚好是一个周期)正弦励磁电流数据。这些电流数据可通过C语言或Matlab语言等高级语言编程得到，并把这些电流数据保存在MIF文件中。在设计双口ROM时，只要指明MIF文件的存放路径，MIF文件中的电流数据就被自动地导入双口ROM中，完成ROM数据的初始化。

(3)数据变换器设计

在双口ROM中，由于存放了幅值为0～1023的非负极性正弦励磁电流数据，因此，要根据极性信号对正弦励磁电流进行一次变换，把它转换成以x轴对称的双极性信号，此模块的Verilog HDL设计代码如下：

module data(a_p，b_p，ida_a，ida_b，iclk，oda_a，oda_b)；

input a_p，b_p， //a b相极性信号

iclk； //输入时钟

input [9:0]ida_a，ida_b； //非负极性正弦励磁电流

output reg [8:0]oda_a，oda_b； //转换输出

always@(posedge iclk)

if(！a_p)

oda_a＝ida_a-255； //0～π时，

else

oda_a＝255-ida_a； //π～2π

always@(posedge iclk)

if(！b_p)

oda_b＝ida_b-255； //0～π

else

oda_b＝255-ida_b； //π～2π

endmodule

(4)PI调节器设计

为了能提高步进电机励磁绕组中电流的控制精度、加快系统的动态响应速度，在本设计中，设计了PI调节器。此模块的Verilog HDL设计代码如下：

module PI_CONTR(data，ad_data，clk，out)；

input [8:0] data； //输入数据

input [7:0] ad_data； //来至AD转换电路的数据

input clk； //工作时钟，是步进电机的脉冲信号

output reg [9:0]out； //PI调节器的输出信号

reg [9:0] e1，e2； //中间寄存器

always@(posedge clk) //求差运算

e1＝(data-ad_data)；

always@(posedge clk) //延时1个时钟

e2＝e1；

always@(posedge clk) //PI调节输出

out＝(e2-e1)＜＜4+e1＜＜4；

endmodule

(5)PWM调制器设计

脉宽调制器是步进电机细分驱动器设计中的关键模块，它的作用是：把各种大小的输入信号转换成占空比不同的矩形波；当输入信号较大时，矩形波的占空比大，流过励磁线圈的平均电流较大，相反亦然，因此，脉宽调制器其实是一个电流控制器。本模块的Verilog HDL设计代码如下：

module pwm(iclk，ida，out)；

input iclk； //输入时钟

output reg out； //PWM输出

input [9:0] ida； //输入信号

reg [9:0] reg1； //中间变量

always@(posedge iclk) //计数器，矩形波周期

reg1＝reg1+1；

always@(posedge iclk) //比较器

if(reg1＜＝ida) //当计数器值小于输入信号时，输出高电平

out＝1；

e1se

out＝0； //否则输出低电平

endmodule

(6)数字变相器设计

所述数字变相器，根据所述地址发生器发送来的A相和B相极性信号，对前述两PWM调制器的输出信号进行变相处理，向后级步进电机驱动电路输出相应的步进电机PWM细分驱动信号。所述变相处理，是指改变其电流方向，具体为：当0～π时，AH(BH)接PWM调制信号，AL(BL)接地，当π～2π时，AL(BL)接PWM调制信号，AH(BH)接地；或者，当0～π时，AL(BL)接PWM调制信号，AH(BH)接地，当π～2π时，AH(BH)接PWM调制信号，AL(BL)接地。如下程序为A相数字变相器的Verilog HDL代码：

module aa(

iclk， //输入时钟

A， //相位输入信号

PWM， //脉宽调制信号

AH， //变相输出

AL //变相输出

)；

input iclk，A，PWM；

output reg AH，AL；

always@(posedge iclk)

if(！A) //0～π时，PWM从AH输出，AL接地

begin

AH＝PWM；

AL＝0；

end

else //π～2π时，PWM从AL输出，AH接地；

begin

AH＝0；

AL＝PWM；

end

endmodule

相对现有的步进电机细分驱动装置，本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器具有如下明显的优点：

1、采用了不同于现有的步进电机细分驱动装置的设计电路(结构)，使设计结构新颖和独特。针对二相混合式步进电机SPWM细分驱动的特点，在设计中，采用了双口ROM、数据变换器和数字变相器等电路：利用一个双口ROM电路，巧妙地得到相位相差π/2的两路正弦波励磁驱动电流，简化了电路，降低了设计成本；巧妙地利用数据变换器把双口ROM的非负的正弦波信号变换成X轴对称的正弦波信号；巧妙地利用数字变相器电路对输出的PWM信号进行变相。

2、采用了现场可编程门列阵(FPGA)芯片进行全数字化设计。整个细分驱动器在单片的现场可编程门列阵(FPGA)芯片实现的，因此本设计在可靠性、抗干扰能力等方面具有较好的优势。

3、采用了正弦波可变细分和脉宽调制技术，可有效克服二相混合式步进电机非细分驱动的低频振动、噪声大、高频失步和分辨率低等缺点。

附图说明

图1是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的硬件系统组成原理示意图。

图2是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的地址发生器模块的顶层封装图。

图3是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的双口ROM模块的顶层封装原理图。

图4是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的数据变换器模块的模块的顶层封装原理图。

图5是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的PI调节器模块的顶层封装原理图。

图6是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的脉宽调制模块的顶层封装原理图。

图7是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的数字变向器模块的顶层封装原理图。

图8是本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的A相驱动电路原理图。

图9是在嵌入式逻辑分析仪中观察到的本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的工作状态下的PWM波形时序图(输入信号INPUT＝53时)。

图10是在嵌入式逻辑分析仪中观察到的本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的工作状态下的PWM波形时序图(输入信号INPUT＝178时)。

图11是在嵌入式逻辑分析仪中观察到的本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的工作状态下的PWM波形时序图(输入信号INPUT＝499时)。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器作进一步地说明。

1、硬件系统组成

图1为本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的一个实施例的硬件系统组成原理示意图。如图所示的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器包括有顺序相连的地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器、数字变相器和步进电机双H桥功率驱动电路：

1)所述地址发生器，其输入信号端接收上级步进电机的联动控制模块的步进脉冲信号、方向控制信号和暂停信号，并可根据所述方向控制信号和暂停信号对步进脉冲信号进行加1或减1、以及暂停计数；所述计数结果，分别作为双口ROM的A和B相地址，它们之间的相位差为π/2；所述地址发生器，还可向后级的数据变换器和数字变相器发送A相和B相极性信号；

2)所述双口ROM，包含二套相互独立的输入和输出口，该ROM中存放着一个周期的按正弦阶梯波变化的励磁电流数据；在所述双口ROM中，存放有1024个正弦波励磁电流数据点，其幅值的取值范围为0～1023。

3)所述数据变换器，可根据所述地址发生器发送来的A相和B相的极性信号，把上述从双口ROM中双口输出的一个周期的正弦数据变换成以x轴对称的A相和B相两路正弦数据，并分别送至各自的PI调节器；

4)所述两PI调节器，根据从前级传来的本路正弦数据和从步进电机本相采样绕组的反馈电压信号之间的差值，分别进行PI调节，向各自的PWM调制器输出相应的PI调节控制信号，用输出调节信号分别去控制各自的PWM调制器的输出；

6)所述数字变相器，根据所述地址发生器发送来的A相和B相极性信号，对前述两PWM调制器的输出信号进行变相处理，从AH、BH、AL和BL端口向后级的步进电机双H桥功率驱动电路提供方向变化的PWM细分驱动信号。所述变相处理，是指改变PWM电流方向，具体为：当0～π时，AH和BH接各自的PWM调制信号，AL和BL接地，当π～2π时，AL和BL接各自的PWM调制信号，AH和BH接地；或者，当0～π时，AL和BL接各自的PWM调制信号，AH和BH接地，当π～2π时，AH和BH接各自的PWM调制信号，AL和BL接地。

上述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器、数字变相器，可通过Verilog HDL设计集成在同一个FPGA中实现：

(1)图2为本设计中地址发生器模块的顶层封装图，其引脚功能说明如表1所示：

表1地址发生器引脚说明

(2)图3为本设计中双口ROM的顶层封装图，其引脚功能说明如表2所示：

表2双口ROM引脚说明

(3)图4为本设计中数据变换器模块的顶层封装图，其引脚功能说明如表3所示：

表3数据变换器模块引脚说明

(4)图5为本设计PI调节器模块的顶层封装图，其引脚功能说明如表4所示：

表4PI调节器模块引脚说明

(5)图6为本设计脉宽调制模块的顶层封装图，其引脚功能说明如表5所示：

表5脉宽调制模块引脚说明

(6)图7为本设计数字变相器模块的顶层封装图，其引脚功能说明如表6所示：

表6数字变相器模块引脚说明

本实用新型二相混合式步进电机SPWM细分驱动器中的步进电机功率驱动电路，可采用现有的双H桥功率驱动电路。图8是一个本实用新型采用的二相混合式步进电机A相功率驱动电路原理图。图例中采用了桥式驱动芯片IR2110和采用桥式连接的4个功率开关管IRF530N。

本驱动电路的工作原理：当正弦阶梯波为0～π时，PWM信号从驱动芯片IR2110的10脚输入，7脚输出，控制着功率开关管Q2和Q3的通断，电流从电源→Q3→A相线圈→Q2→取样电阻→地；当正弦阶梯波为π～2π时，PWM信号从驱动芯片IR2110的12脚输入，1脚输出，控制着功率开关管Q1和Q4的通断，电流从电源→Q1→A相线圈→Q4→采样电阻→地。此时，在步进电机的A相线圈上得到了一个完整的方向变化的正弦波电流。取样电阻上的电压，被调理电路调理和A/D转换之后，最终被送到PI调节器中。

2、样机测试

为了评估上述基于FPGA的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器的性能，本发明人把以上电路制成PCB板，焊上电子元器件和接好步进电机进行测试，FPGA选用EP1C6Q240C8，步进电机选用Leetro公司生产的DM4250C。测试结果表明，步进电机工作平稳，低频振动和噪声明显得到改善。在测试过程中，还利用了嵌入式逻辑分析仪(SigalTap II Logic Analyzer)来分析信号，图9至图11即是在嵌入式逻辑分析仪中观察到的PWM波形时序图：INPUT为脉宽调制器的输入信号，AH和AL为从数字转向器输出的脉宽调制信号。图9至图11即分别列出了输入信号INPUT为53、178和499时的PWM图。其中，INPUT为PI调节器的输出信号。

从图中可以看出，随着输入信号INPUT值的增加，脉宽调制信号的占空比也随着增大，表明可达到脉宽调制目的，即有效验证了其正确性。

Claims

1.二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，包括有用于产生ROM地址的地址发生器，存储有励磁电流数据的ROM，PWM调制器，步进电机双H桥功率驱动电路；其特征在于：还包括有数据变换器，PI调节器，数字变相器；所述ROM为双口ROM；所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器、数字变相器和步进电机双H桥功率驱动电路顺序相连；

所述地址发生器，其输入信号端接收从上级步进电机联动控制模块传送来的步进脉冲信号、方向控制信号和暂停信号，并据所述方向控制信号和暂停信号对步进脉冲信号进行加1或减1、以及暂停计数；所述计数结果，分别作为所述双口ROM的A和B相输入地址，它们之间的相位差为π/2；所述地址发生器，还向后级的数据变换器和数字变相器提供A相和B相的极性信号；

所述双口ROM，包含二套相互独立的输入和输出口，该ROM中存放着一个周期的按正弦阶梯波变化的励磁电流数据；

所述数据变换器，根据所述地址发生器发送的A相和B相的极性信号，把从所述双口ROM中双口输出的一个周期的正弦数据变换成以x轴对称的A相和B相两路正弦数据，并分别送至各自的PI调节器；

所述两PI调节器，根据上述的本路正弦数据和从步进电机本相采样绕组的反馈电压信号之间的差值分别进行PI调节，并向各自的PWM调制器输出相应的PI调节控制信号；

所述两PWM调制器，对前述本路PI调节器传来的PI调节控制信号值分别进行PWM调制，并向数字变相器分别输出占空比不同的两路PWM控制信号；

所述数字变相器，根据所述地址发生器发送来的A相和B相极性信号，对前述两PWM调制器的输出信号进行变相处理，从AH、BH、AL和BL端口向后级的步进电机双H桥功率驱动电路提供方向变化的PWM细分驱动信号。

2.根据权利要求1所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于：所述双口ROM中，存放有1024个正弦波励磁电流数据点，它们幅值的取值范围为0～1023。

3.根据权利要求1或2所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于，所述数字变相器，是一个PWM调制器输出信号变相处理电路：

或者，

当0～π时，AL和BL接各自的PWM调制信号，AH和BH接地；当π～2π时，AH和BH接各自的PWM调制信号，AL和BL接地。

4.根据权利要求1或2所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于：所述步进电机功率驱动电路与其前级电路之间，设置有光电耦合隔离器件。

5.根据权利要求3所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于：所述步进电机功率驱动电路与其前级电路之间，设置有光电耦合隔离器件。

6.根据权利要求1或2所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于：所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器和数字变相器，集成在同一个FPGA中。

7.根据权利要求3所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于：所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器和数字变相器，集成在同一个FPGA中。

8.根据权利要求4所述的二相混合式步进电机SPWM细分驱动器，其特征在于：所述地址发生器、双口ROM、数据变换器、PI调节器、PWM调制器和数字变相器，集成在同一个FPGA中。