一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及步进电机恒流控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统及控制方法，包括：FPGA单元用于产生PWM控制信号；功率放大电路单元用于放大经电平转换单元转换后的PWM控制信号来驱动步进电机；FPGA单元还用于产生驱动信号；差分驱动电路单元用于将经电平转换单元转换后的驱动信号差分后来驱动霍尔式角位移传感器；霍尔式角位移传感器采集步进电机的转子位置信息，经差分接收电路单元接收后传输给电平转换单元并再传输给FPGA单元，通过FPGA单元实时地读取步进电机的转子位置信息。本发明专利技术不需要电流采样和比较等软硬件功能模块，减小了控制系统的复杂度，增强了步进电机本质上的开环控制优势。强了步进电机本质上的开环控制优势。强了步进电机本质上的开环控制优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及步进电机恒流控制
，尤其涉及一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]传统的步进电机控制方式是通过单片机等器件控制的，但单片机的输入输出接口资源相对较少且抗干扰能力相对较弱；而FPGA的输入输出接口资源相对较多、抗干扰能力相对较强且其并行计算能力可提升运算速率并降低延时，具有较强的控制上的优势。
[0003]实现步进电机电流细分控制的通常做法是将电流环引入到控制电路中，因此增加了电流采样和比较等软硬件功能模块的同时也增加了控制系统的复杂度，削弱了步进电机本质上的开环控制优势。为了提高步进电机控制系统的可靠性，提出了一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统及控制方法。

技术实现思路

[0004]针对现有控制方案的不足，本专利技术提供了一种系统简单、驱动能力强和控制精度及运动稳定度高的基于FPGA的步进电机恒流控制系统及控制方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统，包括：FPGA单元、电平转换单元、功率放大电路单元、差分驱动电路单元、差分接收电路单元、霍尔式角位移传感器和步进电机；FPGA单元用于产生PWM控制信号，PWM控制信号经电平转换单元转换后传输给功率放大电路单元；功率放大电路单元用于放大PWM控制信号来驱动步进电机；FPGA单元还用于产生驱动信号，驱动信号经电平转换单元转换后传输给差分驱动电路单元；差分驱动电路单元用于产生差分驱动信号来驱动霍尔式角位移传感器；步进电机的转子位置信息由霍尔式角位移传感器采集，经差分接收电路单元接收后传输给电平转换单元，经电平转换单元转换后传输给FPGA单元，通过FPGA单元实时地读取步进电机的转子位置信息。
[0006]进一步的，步进电机为两相四线制双极性混合式步进电机。
[0007]进一步的，功率放大电路单元的规格与步进电机的功率相匹配。
[0008]进一步的，霍尔式角位移传感器与步进电机同轴安装，霍尔式角位移传感器的分辨率为n位，FPGA单元读取步进电机转子位置信息的数字量为D，步进电机的转子位置θ为：
[0009][0010]进一步的，一种基于FPGA的步进电机恒流控制方法，在不引入电流环的情况下，通过预置占空比的方式实现电流细分控制从而实现对步进电机的恒流控制。
[0011]进一步的，晶振频率为f，每拍的细分数为N，细分间隔计数值为Q，步进电机的转子转动频率υ为：
[0012][0013]进一步的，不同转速下的运动包括：匀速旋转运动和定位运动。
[0014]本专利技术的有益效果：
[0015]1、系统设计成本低、硬件电路复杂度低和工作可靠性强，增强了步进电机本质上开环控制的优势；
[0016]2、提高了步进电机的驱动能力、控制精度和运动稳定度，减小或消除了步进电机的噪声、振荡以及转矩波动等问题。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的基于FPGA的步进电机恒流控制系统结构框图；
[0018]图2是本专利技术的步进电机的单相绕组的驱动H桥电路图；
[0019]图3是本专利技术的单相绕组中电流方向为路径1时的四个MOS管栅源极间的控制信号波形示意图；
[0020]图4是本专利技术的单相绕组中电流方向为路径2时的四个MOS管栅源极间的控制信号波形示意图；
[0021]图5是本专利技术的FPGA程序功能框图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。
[0023]如图1所示，一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统，包括FPGA单元、电平转换单元、功率放大电路单元、差分驱动电路单元、差分接收电路单元、霍尔式角位移传感器和步进电机；FPGA单元用于产生PWM控制信号，PWM控制信号经电平转换单元转换后传输给功率放大电路单元；功率放大电路单元用于放大PWM控制信号来驱动步进电机；FPGA单元还用于产生驱动信号，驱动信号经电平转换单元转换后传输给差分驱动电路单元；差分驱动电路单元用于产生差分驱动信号来驱动霍尔式角位移传感器；步进电机的转子位置信息由霍尔式角位移传感器采集，经差分接收电路单元接收后传输给电平转换单元，经电平转换单元转换后传输给FPGA单元，FPGA单元可以实时读取步进电机的转子位置信息。
[0024]步进电机是两相四线制双极性混合式步进电机，恒流控制系统只适用于两相四线制双极性步进电机的驱动控制。
[0025]功率放大电路单元的规格与步进电机的功率相匹配，步进电机是系统中的执行元件，在驱动控制不同功率的步进电机时，需要更换功率放大电路单元的规格，以满足两者功率相匹配的要求。
[0026]霍尔式角位移传感器与步进电机同轴安装，若霍尔式角位移传感器的分辨率为n位，FPGA单元读取步进电机转子位置信息的数字量为D(十进制数值)，步进电机的转子位置θ(单位：
°
)表示为：
[0027][0028]本具体实施方式还公开了采用基于FPGA的步进电机恒流控制系统进行驱动控制的方法，在不引入电流环的情况下，通过预置占空比的方式实现电流细分控制从而实现对步进电机的恒流控制。
[0029]如图2所示，单相绕组需要功率放大电路单元中的驱动芯片来控制，每个驱动芯片可以控制H桥一侧的上下两个桥臂，FPGA单元产生的PWM控制信号经过电平转换单元和驱动芯片后加到N型MOS管Q1～Q4的栅极G与源极S之间，可以控制其漏极D与源极S之间的导通和截止，进而可以对绕组的电流进行细分控制。
[0030]如图3和图4所示，Q1
‑
PWM、Q2
‑
PWM、Q3
‑
PWM和Q4
‑
PWM分别为控制四个MOS管导通与关断的驱动信号，采用单极性进行驱动控制，即只控制上桥臂两个MOS管的不停通断，下桥臂的两个MOS管一个恒导通另一个恒关断；Q1
‑
PWM和Q2
‑
PWM波形大致是互补的，同理Q3
‑
PWM和Q4
‑
PWM波形也大致是互补的，为了防止上下桥臂的MOS管不经过电机绕组而同时导通后烧毁开关管事件的发生，需要对PWM波形中的死区时间进行控制，即上桥臂MOS管关断后，需要延迟一段时间后再开通下桥臂MOS管；下桥臂MOS管关断后，需要延迟一段时间后再开通上桥臂MOS管，其中，Δt为死区时间。
[0031]当图2中电机绕组中的电流方向为路径1时，四个MOS管的控制波形示意图如图3所示；当图2中电机绕组中的电流方向为路径2时，四个MOS管的控制波形示意图如图4所示。
[0032]以步进电机的A相绕组为例，扩大PWM波的占空比，绕组通电时间变长，相电流上升，带载能力变强；减小PWM波的占空比，绕组通电时间变短，相电流下降，带载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的步进电机恒流控制系统，其特征在于，包括：FPGA单元、电平转换单元、功率放大电路单元、差分驱动电路单元、差分接收电路单元、霍尔式角位移传感器和步进电机，FPGA单元用于产生PWM控制信号，PWM控制信号经电平转换单元转换后传输给功率放大电路单元；功率放大电路单元用于放大PWM控制信号来驱动步进电机；FPGA单元还用于产生驱动信号，驱动信号经电平转换单元转换后传输给差分驱动电路单元；差分驱动电路单元用于产生差分驱动信号来驱动霍尔式角位移传感器；霍尔式角位移传感器采集步进电机的转子位置信息，经差分接收电路单元接收后传输给电平转换单元，经电平转换单元转换后传输给FPGA单元，通过FPGA单元实时地读取步进电机的转子位置信息。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的步进电机恒流控制系统，其特征在于：步进电机为两相四线制双极性混合式步进电机。3.根据权利要求1所述的基于FP...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜雷杰，吴鸿杰，戴卫力，郑剑锋，王伟，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：