反熔丝FPGA驱动技术在宇航步进电机中的实现

郑悦 侯超 陈伟

摘要：为了提高航天器的抗单粒子效应，提高可靠性，本文基于正弦细分驱动原理、在宇航驱动机构驱动器常用的三种驱动电路下，采用反熔丝型FPGA芯片实现了步进电机的细分驱动，为后续工程应用提供参考。

关键词：步进电机；细分驱动；反熔丝FPGA

中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0026-03

随着电力电子技术的发展，产生了细分技术，利用细分技术可以使步进电机实际的步距角变得更小，大大提高机构的控制精度以及速度稳定度，还可以减小或消除振荡、噪声和转矩波动等问题[1]。本文针对运动机构中最常用的两相混合式步进电机的特点，从对步进电机的常用驱动电路设计方法出发，采用正弦细分驱动技术，利用反熔丝FPGA在三种不同驱动电路下完成了对步进电机的驱动设计与实现。

1 两相混合式步进电机工作原理

绕组通电一次的操作为一拍，转子每拍走一步，即通电一次转子走一步，走过一个步距角，两相混合式步进电机步距角表达式如下式（1）所示：

电机要想走过一个完整的周期，就要实现4次换相通电，由于两相混合式步进电机只有两相，所以需要对某一相进行正反操作，其通电方式十分简单，只要A、B相绕组按照一定的通电方式轮流通电即可。具体的通电方式如表1所示。

2 正弦细分驱动的原理

为了提高步进电机的速度稳定度，一般都采用正弦多细分技术来实现电机的驱动功能。细分技术是每次通电时电流的幅值不是一次升到位，而是分成若干级，逐级上升，断电时也是逐级下降到0，这样可以使转子在原有步距角范围内有多个稳定的状态，使绕组电流成阶梯状。这样当电流每升高或下降一个阶梯时，转子都会转动一小步，当走过若干个微步时，相当于转过了一个步距角。图1为两相四拍步进电机的电流波形图示意图，Ia为步进电机的A相绕组电流，Ib为步进电机B相绕组电流。dir_a和dir_b分别为A绕组和B绕组电流极性控制信号，波形从0至2π为电机正转，则从2π至0为电机反转。

3 三种驱动电路下FPGA的设计与实现

细分值与电机转速有关，电机转速为，步距角为，每拍细分数为，那么每个细分点的间隔时间为，表达式如下：

时钟晶振频率为，那么细分间隔计数器寄存器的值可由下式计算得到：

3.1 正弦细分的恒流驱动

3.1.1 正弦细分恒流驱动原理

恒流驱动电路优点占用控制电路资源较少，驱动电流稳定，分立器件质量等级高，可靠性也较高。缺点是使用分立器件驱动电路较为复杂，单机功耗高，发热量大。单相绕组的驱动H桥电路如图2所示：

图2中的驱动电路是由4个MOSFET管（V1～V4）组成的H桥电路，U1、U2为电流极性控制输入端，通过控制U1和U2来控制4个MOSFET管的导通与关断，进而控制电机绕组的电流方向。当U1为正，U2为负时，电机电流由V1→电机绕组→V4→RS，反之当U1为负，U2为正时，电机电流由V2→电机绕组→V3→RS。同时虚线框中D/A与比较器D1以及电流放大器和采样电阻RS构成了一个压控恒流源电路，FPGA通过控制D/A输入端的信号，实现电机绕组上的电流的特定控制。

3.1.2 设计与仿真验证

FPGA实现如图3所示，速度查找细分间隔值模块中不同速度所对应的细分间隔值可以根据公式（2）、（3）计算得到。根据预置方向，结合表1产生绕组极性信号。其中AD_a[7：0]、AD_b[7：0]分别为A、B绕组的D/A转换器的细分电压值数字输入信号，这两路信号经过数模转换后分别加到电机A/B绕组的两端。dir_a[1：0]、dir_b[1：0]分别为A、B绕组的极性控制信号，分别控制着A/B绕组的电流方向，具体的仿真结果如图4所示。

3.2 基于MOSFET驱动芯片IR2110PWM斩波驱动

3.2.1 基于PWM脉宽调制的细分驱动原理

基于MOSEFET专用集成电路组成的H桥驱动电路可以解决传统的H桥电路的散热问题，使热耗分布均匀，并且其驱动能力强，适合在航天上应用。单相绕组的驱动H桥电路入图5所示。一相绕组需要两片IR2110来控制，每片IR2110控制H桥一侧的上下桥臂，FPGA产生PWM控制信号，经过IR2110MOSFET驱动线路进行放大，控制MOSFETQ1～Q4的导通与截止，进而产生绕组电流。

3.2.2 设计与仿真验证

采用单极性控制，PWM_A_H1，PWM_A_L1与PWM_A_H2，PWM_A_L2分别为控制Q1～Q4MOSEFT器件導通的控制信号，即经过细分斩波后的PWM信号。PWM_A_H1与PWM_A_L1控制信号是互补的，同样PWM_A_H2与PWM_A_L2也是互补的。当图5中的电机绕组中电流方向为1时，那么四个开关管的控制信号波形为图6（a），若电流方向为2时，控制信号波形为图6（b）。图中Δt为死区时间。预置速度计算通过公式（2）、（3）计算得到。FPGA实现的原理框图如图7。其中PWM_A[3：0] 为控制A相绕组的H桥四个桥臂的输入控制信号。PWM_B[3：0]为B相绕组的H桥的控制信号，仿真结果如图8所示：

3.3 基于LMD18200组件的PWM斩波驱动

LMD18200是专门用于驱动电机的集成芯片，内部包含了由四个DMOS管组成的一个H型驱动桥及CMOS控制电路。基于该集成芯片的控制电路简单，一个LMD18200可以控制两相绕组，所以一个芯片就可以控制一台两相四拍步进电机的转动。驱动电路如图9所示，DIR_A和DIR_B分别为A、B绕组的极性控制信号， PWM_A与PWM_B为控制A＼B绕组的电压的斩波输入信号，FPGA具体的实现原理与图7类似，只不过一相绕组只需产生1路PWM控制信号，由芯片内部自动完成内部H桥电路的导通与截止。FPGA实现的仿真结果如图10所示。

4 三种实现方式的比较

本文的三种实现方案均基于Actel公司的A54SX72ACQ208的7.2万门反熔丝FPGA芯片，开发环境为Liberal IDE， FPGA工作频率为24MHZ，正弦细分数为256，三种实现方案比较如表2所示：

5 结语

本文针对不同的驱动电路，用反熔丝FPGA采用正弦细分驱动技术实现了步进电机对机构的平稳驱动，基于反熔丝FPGA的实现即可提高了航天器的抗单粒子反转能力，又可以减小电路板面积，提高产品集成度，适应航天器产品的更小、更轻化发展[3]。针对航天的空间辐照环境及高可靠性特点，以上三种实现方案对于航天产品具有很高的工程应用价值，供工程研制参考。

参考文献

[1]王天放，贾楠，彭如意，等.基于FPGA步进电机细分控制系统[J].电子设计工程，2016，（1）：121-123.

[2]郝建强.IR2110在电机驱动中的应有[J].微电机，2008，44（6）：51-52.

[3]蒋范明，王涛，姚惟琳.基于反熔丝FPGA的纯开环星载步进电机驱动器设计[J].电机与控制应用，2017，44（9）：54-59.

[4]张军，葛悦，刘超.一种高效的两相步进电机控制技术[J].计算机测量与控制，2012，20（8）：2130-2132.