基于FPGA的五相混合式步进电机驱动控制电路的实现

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【摘要】本文提出一种利用fpga可编程芯片设计步进电机控制电路的方案，详细论述了控制电路的设计原理，实现对五相混合式步进电机的升降速和转向的有效控制，并给出了仿真波形。实现的系统具有结构简单、方便灵活、可移植性强、控制精度高等优点。

【关键词】步进电机 FPGA 控制电路

一、五相混合式步进电机的控制原理

混合式步进电机只有在转子磁钢和定子磁势相互作用下，才能产生电磁转矩，步进电机才能运行。给一个特定逻辑脉冲，步进电机便运行一步，通电状态每循环一次，转子转过一个齿距，改变轮流通电的顺序可以改变步进电机的转向。对步进电机加一个连续不断的控制脉冲，它可以连续不断的转动，转子的平均速度正比于控制脉冲的频率。因此，对步进电机的控制实质上是对步进电机驱动电路的控制信号的控制，所以可从以下两方面对步进电机控制：

（一）转速控制

步进电机运行速度与输入控制脉冲的频率成正比。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。在一般情况下，步进电机在运行过程中都需有一个加速-恒速-减速-停止的过程，本文重点讨论步进电机的升降速控制。

（二）转向控制

本文所研究的五相混合式步进电机驱动电路采用五相星接半桥驱动，功放桥有十个输入端A，B，C，D，E和A，B，C，D，E分别表示上，下桥臂功率管的输入。当上桥臂的五个控制端中任意加控制脉冲使功率管导通时，相应的绕组便正向导通；下桥臂控制端加控制脉冲使功率管导通时，相应的绕组便反向导通。

步进电机的转向与输入给各相绕组脉冲的先后次序有关，考虑工程上要求获得最大的合成转矩，其五相十拍的各相通电顺序为ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD-ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD（其中A，B，C，D，E表示绕组通以正向电流，A，B，C，D，E则表示绕组中通以反向电流）。如果按给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转；如果按反序换相通电，则电机就反转。

二、五相混合式步进电机的FPGA控制的实现

由FPGA控制实现的步进电机控制系统如图1所示。

如图1所示，控制系统的核心部件是FPGA，它由两大功能模块组成：

⑴转速控制模块。它在不同速度控制信号作用下，可将经分频器分频后的系统时钟改变为不同的PWM信号，将该信号作为转速控制模块的变频时钟，达到改变步进电机速度的目的。

⑵方向控制模块。在每个变频时钟周期内，脉冲分配器在不同的方向控制信号下产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机的正转或反转。

（一）步进电机的升降速控制的实现及仿真

步进电机启动时，若直接将速度升到要求的运行速度，启动频率可能超过极限启动频率，造成电机失步或堵转。同样，如果电机到达终点时突然停下来，由于惯性，电机会发生过冲，影响位置控制精度。因此步进电机在启动时必须有加速过程；在停止时必须有减速过程。步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率来实现的。从而可驱动步进电机平滑启动和停止，以防止失步和过冲现象。

本文工程设计要求：设计一控制电路，使五相混合式步进电机加速阶段运行50步（n=50），50步后电机频率达到系统时钟频率，而后恒速运行400步（n=400），然后开始平滑减速50步（n=50）后停转，模型如下图2。其中fh为电机稳态运行时的系统频率；f0为电机启动频率。电机正是从启动频率开始平滑运行50步后达到系统频率，减速反之。

（1）步进电机的速度控制电路。由上述原理，步进电机的速度控制硬件原理如图3所示。

图3中 ，DVF为数控分频器，根据预置数据的不同，对输入时钟有不同的分频比。在设计中，利用FPGA的ROM存放不同分频比所需的预置数据，这样可以根据不同的分频要求灵活地改变存储数据的数量以及大小。

由于步进电机的减速过程是加速过程的逆过程，所以设计了一个可逆计数器作为预置数存储ROM的地址计数器，计数器的u_d端为高电平时，计数器进行加计数，对应步进电机升速过程，u_d端为低电平时，计数器进行减计数，电机进行降速过程。由于匀速过程介于升降速过程之间，当升速过程结束时，由单片机发出信号来控制en使能端，使可逆计数器处于保持状态，确保减速过程的正常运行。同时，步进电机进入匀速工作状态，变速、匀速过程的交替由MUX21选择器来实现，当S为高电平时，电机匀速转动，当S为低电平时，电机处于升速或降速过程。而计数器COUNT4是用来对DVF输出的PWM波形进行计数，每输出一个PWM波形，电机就走一步，计数器就计数一次，step就累加一次，进而达到对步进电机步数计数的要求。

（2）实验仿真。速度控制模块的仿真波形图如图4。

从图4可以看出，当s为高电平时，电机处于变速过程，此时u_d为高电平，电机处于均匀加速过程，当电机运行50步后，s为低电平，电机处于匀速运行状态，此时电机频率与系统时钟频率一致，电机匀速运行400步后，s再次为高电平，电机又处于变速过程，此时u_d为低电平，电机处于减速过程，减速运行50步后，电机停转。

（二）步进电机的转向控制的实现及仿真

（1）步进电机的转向控制状态。转向控制模块核心是对方向控制信号的控制，它的不同状态将使脉冲分配器产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机转动方向。根据五相十拍的控制方式， （2）实验仿真。图5为方向控制模块的仿真波形，图5（a）为电机方向控制的总的仿真波形图；图5（b）为方向控制端dir还没有发出控制指令时的波形图，从中可以看出电机状态随着系统时钟按照设定的通电顺序变化；图5（c）为方向控制端dir变为低电平后的波形图，从中可以看出电机前后两个状态一致，说明电机发生了反转。从图5可以看出，当信号dir为高电平时，状态流程为顺时针方向，表示电动机正向旋转；当信号dir为低电平时，状态流程为逆时针方向，表示电动机反向旋转。

三、结束语

本文利用FPGA可编程芯片与Veriloge硬件描述语言，实现了对步进电机升降速控制和转向的控制，不但控制系统结构简单，设计方便灵活，可移植性强，控制精度高，而且实用性强。