反熔絲FPGA驅(qū)動技術(shù)在宇航步進電機中的實現(xiàn)

鄭悅 侯超 陳偉

摘要：為了提高航天器的抗單粒子效應(yīng)，提高可靠性，本文基于正弦細分驅(qū)動原理、在宇航驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動器常用的三種驅(qū)動電路下，采用反熔絲型FPGA芯片實現(xiàn)了步進電機的細分驅(qū)動，為后續(xù)工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：步進電機；細分驅(qū)動；反熔絲FPGA

中圖分類號：TN791 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0026-03

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了細分技術(shù)，利用細分技術(shù)可以使步進電機實際的步距角變得更小，大大提高機構(gòu)的控制精度以及速度穩(wěn)定度，還可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動等問題[1]。本文針對運動機構(gòu)中最常用的兩相混合式步進電機的特點，從對步進電機的常用驅(qū)動電路設(shè)計方法出發(fā)，采用正弦細分驅(qū)動技術(shù)，利用反熔絲FPGA在三種不同驅(qū)動電路下完成了對步進電機的驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)。

1 兩相混合式步進電機工作原理

繞組通電一次的操作為一拍，轉(zhuǎn)子每拍走一步，即通電一次轉(zhuǎn)子走一步，走過一個步距角，兩相混合式步進電機步距角表達式如下式（1）所示：

電機要想走過一個完整的周期，就要實現(xiàn)4次換相通電，由于兩相混合式步進電機只有兩相，所以需要對某一相進行正反操作，其通電方式十分簡單，只要A、B相繞組按照一定的通電方式輪流通電即可。具體的通電方式如表1所示。

2 正弦細分驅(qū)動的原理

為了提高步進電機的速度穩(wěn)定度，一般都采用正弦多細分技術(shù)來實現(xiàn)電機的驅(qū)動功能。細分技術(shù)是每次通電時電流的幅值不是一次升到位，而是分成若干級，逐級上升，斷電時也是逐級下降到0，這樣可以使轉(zhuǎn)子在原有步距角范圍內(nèi)有多個穩(wěn)定的狀態(tài)，使繞組電流成階梯狀。這樣當(dāng)電流每升高或下降一個階梯時，轉(zhuǎn)子都會轉(zhuǎn)動一小步，當(dāng)走過若干個微步時，相當(dāng)于轉(zhuǎn)過了一個步距角。圖1為兩相四拍步進電機的電流波形圖示意圖，Ia為步進電機的A相繞組電流，Ib為步進電機B相繞組電流。dir_a和dir_b分別為A繞組和B繞組電流極性控制信號，波形從0至2π為電機正轉(zhuǎn)，則從2π至0為電機反轉(zhuǎn)。

3 三種驅(qū)動電路下FPGA的設(shè)計與實現(xiàn)

細分值與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機轉(zhuǎn)速為，步距角為，每拍細分數(shù)為，那么每個細分點的間隔時間為，表達式如下：

時鐘晶振頻率為，那么細分間隔計數(shù)器寄存器的值可由下式計算得到：

3.1 正弦細分的恒流驅(qū)動

3.1.1 正弦細分恒流驅(qū)動原理

恒流驅(qū)動電路優(yōu)點占用控制電路資源較少，驅(qū)動電流穩(wěn)定，分立器件質(zhì)量等級高，可靠性也較高。缺點是使用分立器件驅(qū)動電路較為復(fù)雜，單機功耗高，發(fā)熱量大。單相繞組的驅(qū)動H橋電路如圖2所示：

圖2中的驅(qū)動電路是由4個MOSFET管（V1～V4）組成的H橋電路，U1、U2為電流極性控制輸入端，通過控制U1和U2來控制4個MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷，進而控制電機繞組的電流方向。當(dāng)U1為正，U2為負時，電機電流由V1→電機繞組→V4→RS，反之當(dāng)U1為負，U2為正時，電機電流由V2→電機繞組→V3→RS。同時虛線框中D/A與比較器D1以及電流放大器和采樣電阻RS構(gòu)成了一個壓控恒流源電路，F(xiàn)PGA通過控制D/A輸入端的信號，實現(xiàn)電機繞組上的電流的特定控制。

3.1.2 設(shè)計與仿真驗證

FPGA實現(xiàn)如圖3所示，速度查找細分間隔值模塊中不同速度所對應(yīng)的細分間隔值可以根據(jù)公式（2）、（3）計算得到。根據(jù)預(yù)置方向，結(jié)合表1產(chǎn)生繞組極性信號。其中AD_a[7：0]、AD_b[7：0]分別為A、B繞組的D/A轉(zhuǎn)換器的細分電壓值數(shù)字輸入信號，這兩路信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后分別加到電機A/B繞組的兩端。dir_a[1：0]、dir_b[1：0]分別為A、B繞組的極性控制信號，分別控制著A/B繞組的電流方向，具體的仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2 基于MOSFET驅(qū)動芯片IR2110PWM斬波驅(qū)動

3.2.1 基于PWM脈寬調(diào)制的細分驅(qū)動原理

基于MOSEFET專用集成電路組成的H橋驅(qū)動電路可以解決傳統(tǒng)的H橋電路的散熱問題，使熱耗分布均勻，并且其驅(qū)動能力強，適合在航天上應(yīng)用。單相繞組的驅(qū)動H橋電路入圖5所示。一相繞組需要兩片IR2110來控制，每片IR2110控制H橋一側(cè)的上下橋臂，F(xiàn)PGA產(chǎn)生PWM控制信號，經(jīng)過IR2110MOSFET驅(qū)動線路進行放大，控制MOSFETQ1～Q4的導(dǎo)通與截止，進而產(chǎn)生繞組電流。

3.2.2 設(shè)計與仿真驗證

采用單極性控制，PWM_A_H1，PWM_A_L1與PWM_A_H2，PWM_A_L2分別為控制Q1～Q4MOSEFT器件導(dǎo)通的控制信號，即經(jīng)過細分斬波后的PWM信號。PWM_A_H1與PWM_A_L1控制信號是互補的，同樣PWM_A_H2與PWM_A_L2也是互補的。當(dāng)圖5中的電機繞組中電流方向為1時，那么四個開關(guān)管的控制信號波形為圖6（a），若電流方向為2時，控制信號波形為圖6（b）。圖中Δt為死區(qū)時間。預(yù)置速度計算通過公式（2）、（3）計算得到。FPGA實現(xiàn)的原理框圖如圖7。其中PWM_A[3：0] 為控制A相繞組的H橋四個橋臂的輸入控制信號。PWM_B[3：0]為B相繞組的H橋的控制信號，仿真結(jié)果如圖8所示：

3.3 基于LMD18200組件的PWM斬波驅(qū)動

LMD18200是專門用于驅(qū)動電機的集成芯片，內(nèi)部包含了由四個DMOS管組成的一個H型驅(qū)動橋及CMOS控制電路?；谠摷尚酒目刂齐娐泛唵?，一個LMD18200可以控制兩相繞組，所以一個芯片就可以控制一臺兩相四拍步進電機的轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電路如圖9所示，DIR_A和DIR_B分別為A、B繞組的極性控制信號， PWM_A與PWM_B為控制A＼B繞組的電壓的斬波輸入信號，F(xiàn)PGA具體的實現(xiàn)原理與圖7類似，只不過一相繞組只需產(chǎn)生1路PWM控制信號，由芯片內(nèi)部自動完成內(nèi)部H橋電路的導(dǎo)通與截止。FPGA實現(xiàn)的仿真結(jié)果如圖10所示。

4 三種實現(xiàn)方式的比較

本文的三種實現(xiàn)方案均基于Actel公司的A54SX72ACQ208的7.2萬門反熔絲FPGA芯片，開發(fā)環(huán)境為Liberal IDE， FPGA工作頻率為24MHZ，正弦細分數(shù)為256，三種實現(xiàn)方案比較如表2所示：

5 結(jié)語

本文針對不同的驅(qū)動電路，用反熔絲FPGA采用正弦細分驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)了步進電機對機構(gòu)的平穩(wěn)驅(qū)動，基于反熔絲FPGA的實現(xiàn)即可提高了航天器的抗單粒子反轉(zhuǎn)能力，又可以減小電路板面積，提高產(chǎn)品集成度，適應(yīng)航天器產(chǎn)品的更小、更輕化發(fā)展[3]。針對航天的空間輻照環(huán)境及高可靠性特點，以上三種實現(xiàn)方案對于航天產(chǎn)品具有很高的工程應(yīng)用價值，供工程研制參考。

參考文獻

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