基于FPGA的高速并行和微處理器實現(xiàn)集成式步進電機驅動系統(tǒng)的設計

基于FPGA的高速并行和微處理器實現(xiàn)集成式步進電機驅動系統(tǒng)的設計1、引言步進電機是一種離散運動的裝置，步進電機驅動器通過外加控制脈沖，并按環(huán)形分配器決定的分配方式，控制步進電機各相繞組的導通或截止，從而使電機產生步進運動。在單片機出現(xiàn)以前步進電機控制完全由硬件實現(xiàn)，不同類型電機和不同工作方式需要不同的環(huán)形分配器。如果更換電機類型或改變工作模式，則整個硬件電路就要重新設計。隨著單片機的出現(xiàn)和普及，采用軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器獲得廣泛的應用。此類環(huán)形分配器只需改變軟件即可適應各種電機，具有極大的靈活性。但也存在以下缺點：由于計算機是一種非并行執(zhí)行的器件，各信號的同步將受到影響。采用單片機的控制電路，可靠性不高，抗干擾能力不強。如果出現(xiàn)問題，程序本身雖然可以通過軟件陷阱等方式復位單片機使它回到正常工作狀態(tài)，但是對于驅動器則意味著無法糾正的時序錯誤，這將導致失步的產生。本文提出了一種基于FPGA的新型集成式步進電機驅動系統(tǒng)實現(xiàn)方案，該方案采用模糊自組織PID調節(jié)方法實現(xiàn)對步進電機驅動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，極大地提高了系統(tǒng)的自適應能力，同時利用FPGA上嵌入的微處理器PicoBlaze將步進電機驅動系統(tǒng)的控制器和驅動器集成在一片F(xiàn)PGA芯片上，實現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)設計，極大地提高了控制性能。這種新型的控制器體積小，結構簡單，成本低，抗干擾能力強，一旦投入使用必將擴大步進電機的應用范圍，降低系統(tǒng)的成本。2、步進電機的細分驅動原理步進電機細分驅動本質上是對電機勵磁繞組中的電流進行控制，使電機內部的合成磁場為均勻圓形旋轉磁場，從而實現(xiàn)對步進電機步距角細分。合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。對于三相混合式步進電機而言，向A、B、C三相繞組分別通以相位相差2/3π而幅值相同的正弦波電流，則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉運動，其對應的合成磁場矢量也作相應的旋轉。在細分驅動方式下，由于步距角小，步進電機的分辨率得到大幅度提高，同時這種驅動方式又可有效抑制單步運行中所產生的噪聲和振蕩現(xiàn)象。3、模糊自組織PID調節(jié)控制算法由于步進電機調速系統(tǒng)具有非線性等特點，參數(shù)變化范圍較大，因此要獲得良好的性能，就需要對PID的比例增益、積分和微分時間常數(shù)按某種優(yōu)化方式作在線調整，因此在設計中采用一種模糊自組織PID控制器對傳統(tǒng)PID調節(jié)方法進行優(yōu)化。一般PID調節(jié)器的離散表達式如下：依次類推可得模糊推理規(guī)則如表1所示。4、驅動系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)采用交－直－交電壓型電路，分為功率驅動電路和控制電路兩大塊。功率驅動電路主要有整流橋、濾波電容及IPM功率模塊組成；控制電路以Xilinx公司的FPGA芯片為核心，包括電流檢測電路、驅動電路及保護電路。驅動系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1驅動系統(tǒng)框圖驅動系統(tǒng)的核心是FPGA控制芯片的設計，采用層次化開發(fā)方式，頂層模塊由多個子模塊組合而成，采用自底向上的方式進行開發(fā)，F(xiàn)PGA內部硬件原理圖如圖2所示。用戶輸入在PicoBlaze微處理器中進行處理，將控制信號送入CP脈沖發(fā)生器，產生CP脈沖和細分等級數(shù)，同轉向信號CCW共同送入正弦表數(shù)據接口模塊中，通過內部邏輯產生三相相電流給定數(shù)據，與電流反饋模塊測試的反饋電流，經過PID調節(jié)，產生控制信號送入PWM發(fā)生器中，PWM模塊將輸出六路PWM控制信號，控制IGBT通斷，以實現(xiàn)對電機控制。圖2FPGA內部硬件原理圖（1）ClockMnger模塊將輸入的晶振時鐘進行倍頻，輸出CLK50，CLK100，CLK200三個時鐘信號。DCM鎖定信號后，三個時鐘信號均通過BUFGMUX切換到穩(wěn)定后的時鐘源上去。本模塊輸出一個G_Reset信號，在所有時鐘都完全穩(wěn)定后才置G_Reset為無效。為了消除異步Reset導致部分DFF的建立時間不夠的現(xiàn)象，模塊使用一個DFF在時鐘的上升沿同步Reset信號，提供足夠的時間裕量。（2）Interface模塊例化了一個單端口只讀存儲器存放一個周期的正弦數(shù)據表。輸入CP和CCW信號后，通過順序給出三相繞組對應的地址數(shù)據，即可查得三相電流的給定數(shù)據，并同時更新三個給定數(shù)據寄存器，送入下一個環(huán)節(jié)。轉向交換也在本模塊實現(xiàn)。輸入的CCW信號將控制一個多路選擇器，控制是否進行換相。本模塊通過輸入的細分信號和CP脈沖信號共同決定三相繞組的地址數(shù)據的每次增量大小，當細分層次最高時，地址計數(shù)器每次遞增1；當處于非最高細分精度時，地址計數(shù)器每次遞增2的N次冪，N由當前的細分精度確定。（3）kcpsm3_wrapper模塊采用FPGA上嵌入的Picoblaze8位微處理器作為設計的主控制器，接受用戶輸入，協(xié)調內部模塊的工作。PSM代碼程序定義了多個I/O地址，通過端口例化，實現(xiàn)處理器模塊與外部模塊的數(shù)據交換，當用戶通過按鍵進行速度設置后，處理器進入中斷，輸出各種控制命令到接口模塊和CP脈沖發(fā)生模塊，控制電機狀態(tài)，其中DIP用于撥碼按鈕的輸入，LED用于發(fā)光二級管的輸出，Btn用于按鈕的輸入，Set用于設定CPPattern模塊的速度輸入寄存器，PAOC、PBOC來自外部過流信號的輸入。Picoblaze模塊中包含了一個內部復位控制電路，確保Picoblaze在器件配置和全局復位后的正確啟動。（4）PatternGenerator模塊實現(xiàn)轉速與CP脈沖對應的功能，給定一個轉速信號后，通過查表得到對應的計數(shù)溢出數(shù)據。內部的計數(shù)器計數(shù)溢出時即產生一個CP脈沖。查找表輸出的數(shù)據分為兩部分，低位是CP計數(shù)器的計數(shù)數(shù)據，高位是對應轉速的最佳細分等級，這兩個信號都將輸出給Interface模塊，決定三相地址數(shù)據的改變。（5）Solutions模塊實現(xiàn)PWM控制、電流反饋測試和PID調節(jié)，通過狀態(tài)機協(xié)調所有模塊的工作起始和完成：檢測A/D的轉換標志位，當標志位為低時表明轉換完成，分別啟動兩個電流模塊進行反饋電流測量；等待兩相電流測量都完成后同時啟動三個PID模塊進行PID調節(jié)；等待調節(jié)完成后將計算得到的控制值/死區(qū)數(shù)據同時更新到三相PWM模塊的PWM寄存器以及死區(qū)寄存器中。PWM模塊采用三角波作為PWM載波，為減少計數(shù)器的進位鏈長度，采用Prescaled計數(shù)器，拆分為3位計數(shù)器和11位計數(shù)器，減少組合邏輯延遲。死區(qū)保護發(fā)生器模塊根據給定的死區(qū)長度數(shù)據，將輸入的PX信號輸出為PH和PL信號，分別對應IGBT的上下橋臂，并在PH和PL數(shù)據的變沿插入死區(qū)保護。插入的死區(qū)保護是通過上升計數(shù)器和下降計數(shù)器來實現(xiàn)的，保證上下橋臂不會同時導通。時序等于比較器內部存在一級DFF，比較結果需要延遲一個時鐘周期才能夠輸出，減少了組合邏輯延遲。5、功能仿真圖3驅動系統(tǒng)功能仿真驅動系統(tǒng)功能仿真如圖3所示。其中feeda和feedb信號是通過PLI接口調用鏈接庫模擬生成的，全面模擬實際情況。圖中包含了6個IGBT控制腳的輸出波形，以及三相獨立的狀態(tài)機、給定、反饋、控制數(shù)據。經計算，功能仿真數(shù)據完全符合預期設計。6、結論本文所設計的基于FPGA的新型集成式步進電機驅動系統(tǒng)，采用模糊自組織PID調節(jié)方法實現(xiàn)對步進電機驅動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高了系