步进电机细分控制系统及其控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911267405.0 (22)申请日 2019.12.11 (71)申请人 上海无线电设备研究所 地址 200233 上海市闵行区中春路1555号 (72)发明人 赵建华周起华王文晴魏颖 李鸿志 (74)专利代理机构 上海元好知识产权代理有限 公司 31323 代理人 贾慧琴周乃鑫 (51)Int.Cl. H02P 8/18(2006.01) (54)发明名称 一种步进电机细分控制系统及其控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种步进电机细分控制系统 及其控制方法， 所述系。

2、统包含： 依次连接的FPGA、 功率驱动芯片、 两相步进电机和谐波减速器； 其 中， FPGA中包含， 比较器模块； 正余弦信号模块， 输出正余弦信号至比较器模块； 锯齿波信号模 块， 输出锯齿波信号至比较器模块； 所述比较器 模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行 比较， 输出PWM信号， PWM信号的占空比按正余弦 信号的规律变化。 本发明提供的步进电机细分控 制方法， 删去了传统步进电机控制方案中的D/A 转换电路， 直接通过数字信号比较的方式产生 PWM信号驱动步进电机转动， 降低工程成本， 提高 系统可靠性。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 110912476 A 20。

3、20.03.24 CN 110912476 A 1.一种步进电机细分控制系统， 其特征在于， 所述系统包含： 依次连接的FPGA、 功率驱 动芯片、 两相步进电机和谐波减速器； 其中， FPGA中包含， 正余弦信号模块， 输出正余弦信号至比较器模块； 锯齿波信号模块， 输出锯齿波信号至比较器模块； 比较器模块， 该比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较， 输出PWM信 号， PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化。 2.如权利要求1所述的步进电机细分控制系统， 其特征在于， 所述功率驱动芯片的A相 输出连接至两相步进电机的A相绕组， 所述功率驱动芯片的B相输出连接至两相步进电机的。

4、 B相绕组。 3.一种如权利要求12中任一项所述的步进电机细分控制方法， 其特征在于， 该方法 包含如下步骤： S1， FPGA中的正余弦信号模块输出正余弦信号至比较器模块； S2， FPGA中的锯齿波信号模块输出锯齿波信号至比较器模块； S3， 所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较， 输出PWM信号至所 述功率驱动芯片， PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化； S4， 所述功率驱动芯片输出连接至两相步进， 驱动步进电机转动； S5， 所述步进电机输出步距角至谐波减速器， 根据转矩需求和角分辨率需求选择减速 比。 4.如权利要求3所述的步进电机细分控制方法， 其特征在于，。

5、 所述S1步骤中， 正余弦信 号模块输出正余弦信号的具体步骤如下： 步骤一， 按如下公式离线计算得到正弦数值y(k)： 其中， N代表细分数， M代表信号幅值， k0N， k即为数据地址； 步骤二， 将步骤一计算得到的(N+1)个正弦数值取整后存储到FPGA的ROM中； 步骤三， FPGA按地址0N0N0的顺序依次读取ROM数据， 输出一个周期的正弦信 号， 同时FPGA输出正弦信号的方向， 前二分之一周期记为0， 代表正弦信号的值为正， 后二分 之一周期记为1， 代表正弦信号值为负； 步骤四， FPGA按地址N0N0N的顺序依次读取ROM数据， 输出一个周期的余弦信 号， 同时FPGA输出余。

6、弦信号的方向， 前四分之一周期为0， 代表余弦信号的值为正， 中间二分 之一周期为1， 代表余弦信号值为负， 最后四分之一周期为0。 5.如权利要求4所述的步进电机细分控制方法， 其特征在于， 所述S2步骤中还包含： 在 锯齿波信号模块中设有一个1M的循环计数器， 该M的大小决定所述PWM信号的频率。 6.如权利要求5所述的步进电机细分控制方法， 其特征在于， 当FPGA的时钟频率为Clk， 则PWM信号的频率为Clk/M， 所述PWM信号的频率控制在5kHz20kHz范围。 7.如权利要求3所述的步进电机细分控制方法， 其特征在于， S3步骤中所述比较器模块 对所述正余弦信号和所述锯齿波信号。

7、进行比较， 输出PWM信号至所述功率驱动芯片， 具体如 下： 权利要求书 1/2 页 2 CN 110912476 A 2 1)当锯齿波信号小于正弦信号时， 比较器模块的输出信号F_PWM_A为1， 反之输出信号 F_PWM_A为0， 此输出信号F_PWM_A输出至所述功率驱动芯片， 同时将S1中的正弦方向信号输 出至所述功率驱动芯片； 2)当锯齿波信号小于余弦信号时， 比较器模块的输出信号F_PWM_B为1， 反之输出信号 F_PWM_B为0， 此输出信号F_PWM_B输出至所述功率驱动芯片， 同时将S1中的余弦方向信号输 出至所述功率驱动芯片。 8.如权利要求3所述的步进电机细分控制方法，。

8、 其特征在于， 所述功率驱动芯片输出连 接至两相步进电机， 具体如下： 所述功率驱动芯片的A相电路输出连接至步进电机的A相绕组， 所述功率驱动芯片的B 相电路输出连接至两相步进电机的B相绕组。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110912476 A 3 一种步进电机细分控制系统及其控制方法 技术领域 0001 本发明涉及步进电机技术领域， 具体涉及一种步进电机细分控制系统及其控制方 法。 背景技术 0002 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情 况下， 电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影 响， 当步进驱动器接收到一。

9、个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度， 称为步距角， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来 控制角位移量， 从而达到准确定位的目的； 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的 速度和加速度， 从而达到调速的目的。 0003 步进电机是一种由脉冲个数控制转动角度， 脉冲频率控制转动速度的电机类型。 其优点是控制原理简单、 可直接实现数字控制、 机械结构坚固耐用等， 但其缺点是步距角固 定， 通常磁阻式步进电机的步距角为0.36 7.5 ， 定位误差较大。 为了提高步进电机定位 精度， 通常采用细分驱动方案， 即通过软件算法的方式细分步距角， 提。

10、高步进电机定位精 度。 除此之外细分方法还能减少步进电机低频振动和失步等现象， 有效提升步进电机的应 用性能。 0004 在某些需要高精度定位的领域， 如星载微波雷达中天线指向精度常常要求达到角 分级， 甚至角秒级。 此时步进电机必须通过细分控制再加减速器的组合才能达到如此高的 精度。 以两相步进电机为例， 目前常用的细分控制方案是首先通过数字控制器产生数字正 余弦信号， 然后通过D/A转换器将数字信号转换成模拟正余弦信号并与步进电机两相绕组 电流进行比较产生PWM信号， PWM信号经过功率放大电路加载到电机两相绕组上， 使一相绕 组电流按照正弦规律变化， 另一相绕组电流按照余弦规律变化， 从。

11、而形成圆形转动的磁场， 带动步进电机转子转动。 此方案的缺陷在于： (1)电机转动过程中绕组电流存在较多毛刺， 与正余弦信号比较时PWM信号频繁跳变从而使功率放大电路频繁开关， 增大了三级管开关 损耗和失效风险， 并且绕组电流逼近正余弦曲线的误差也较大， 电机转动平稳性降低； (2) D/A转换电路的存在既增加了成本， 同时还增加了一个失效环节， 特别是在卫星这种要求高 可靠性的场景， 减少一个串联环节可以更好地保障系统可靠性。 0005 针对步进电机的细分控制方法， 目前国内专利CN207588746U(步进电机细分控制 电路)介绍了一种步进电机细分控制电路， 包括控制器、 环形分配器、 D。

12、AC转换器(数模转换 器， 将数字信号转换为模拟值)、 比较斩波器、 PWM(Pulse Width Modulation， 脉宽调制)合 成电路、 功率驱动电路。 该专利采用细分数字信号DAC转换成模拟信号后进行比较斩波的方 式生成PWM信号。 而本发明直接采用数字比较产生PWM信号， 和本发明方法不同。 0006 专利CN108809171A(一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路)介绍 了一种太阳帆板驱动机构所使用的步进电机的细分控制方法， 该专利采用D/A转换电路产 生正余弦参考信号， 而本发明未采用D/A转换电路。 说明书 1/6 页 4 CN 110912476 A 4。

13、 0007 专利CN108092576A(一种步进电机细分驱动系统)介绍了一种步进电机细分驱动 系统， 包括步进电机驱动电路、 光电隔离电路、 单稳态触发器、 稳定电源、 微处理器等。 该专 利主要是应用L6208驱动芯片来完成细分控制， 本发明未采用L6208驱动芯片， 而是通过 FPGA(Field-Programmable Gate Array， 即现场可编程门阵列)编程的方式来实现细分功 能。 0008 2017年第27期的 机电信息 期刊中公开文献 步进电机细分驱动系统设计 介绍 了一种采用单片机AT89S52控制步进电机转动的方法， 该文献未具体说明细分信号的工程 实现， 且硬件架。

14、构与本发明不同。 0009 2016年第6期的 机电产品开发与创新 期刊中公开文献 步进电机细分驱动技术 Simulink仿真 详细分析了步进电机细分驱动技术的原理， 搭建了基于Matlab/Simulink的 细分控制模型， 该模型需要通过A/D转换器将绕组电流转换为数字信号并在控制器中进行 电流的闭环控制， 该方案工程实现较为复杂。 发明内容 0010 本发明的目的是提供一种步进电机细分控制方法， 删去了传统步进电机控制方案 中的D/A转换电路， 直接通过数字信号比较的方式产生PWM信号驱动步进电机转动， 降低工 程成本， 提高系统可靠性。 0011 为了达到上述目的， 本发明提供了一种步。

15、进电机细分控制系统， 所述系统包含： 依 次连接的FPGA、 功率驱动芯片、 两相步进电机和谐波减速器； 0012 其中， FPGA中包含， 0013 正余弦信号模块， 输出正余弦信号至比较器模块； 0014 锯齿波信号模块， 输出锯齿波信号至比较器模块； 0015 比较器模块， 该比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较， 输出 PWM信号， PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化。 0016 较佳地， 所述功率驱动芯片的A相输出连接至两相步进电机的A相绕组， 所述功率 驱动芯片的B相输出连接至两相步进电机的B相绕组。 0017 本发明还提供一种步进电机细分控制方法， 该方法包含。

16、如下步骤： 0018 S1， FPGA中的正余弦信号模块输出正余弦信号至比较器模块； 0019 S2， FPGA中的锯齿波信号模块输出锯齿波信号至比较器模块； 0020 S3， 所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较， 输出PWM信号 至所述功率驱动芯片， PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化； 0021 S4， 所述功率驱动芯片输出连接至两相步进， 驱动步进电机转动； 0022 S5， 所述步进电机输出步距角至谐波减速器， 根据转矩需求和角分辨率需求选择 减速比。 0023 较佳地， 所述S1步骤中， 正余弦信号模块输出正余弦信号的具体步骤如下： 0024 步骤一， 按如。

17、下公式离线计算得到正弦数值y(k)： 0025 0026 其中， N代表细分数， M代表信号幅值， k0N， k即为数据地址； 说明书 2/6 页 5 CN 110912476 A 5 0027 步骤二， 将步骤一计算得到的(N+1)个正弦数值取整后存储到FPGA的ROM中； 0028 步骤三， FPGA按地址0N0N0的顺序依次读取ROM数据， 输出一个周期的正 弦信号， 同时FPGA输出正弦信号的方向， 前二分之一周期记为0， 代表正弦信号的值为正， 后 二分之一周期记为1， 代表正弦信号值为负； 0029 步骤四， FPGA按地址N0N0N的顺序依次读取ROM数据， 输出一个周期的余 弦。

18、信号， 同时FPGA输出余弦信号的方向， 前四分之一周期为0， 代表余弦信号的值为正， 中间 二分之一周期为1， 代表余弦信号值为负， 最后四分之一周期为0。 0030 较佳地， 所述S2步骤中还包含： 在锯齿波信号模块中设有一个1M的循环计数器， 该M的大小决定所述PWM信号的频率。 0031 较佳地， 当FPGA的时钟频率为Clk， 则PWM信号的频率为Clk/M， 所述PWM信号的频率 控制在5kHz20kHz范围。 0032 较佳地， S3步骤中所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比 较， 输出PWM信号至所述功率驱动芯片， 具体如下： 0033 1)当锯齿波信号小于正弦。

19、信号时， 比较器模块的输出信号F_PWM_A为1， 反之输出 信号F_PWM_A为0， 此输出信号F_PWM_A输出至所述功率驱动芯片， 同时将S1中的正弦方向信 号输出至所述功率驱动芯片； 0034 2)当锯齿波信号小于余弦信号时， 比较器模块的输出信号F_PWM_B为1， 反之输出 信号F_PWM_B为0， 此输出信号F_PWM_B输出至所述功率驱动芯片， 同时将S1中的余弦方向信 号输出至所述功率驱动芯片。 0035 较佳地， 所述功率驱动芯片输出连接至两相步进电机， 具体如下： 0036 所述功率驱动芯片的A相电路输出连接至步进电机的A相绕组， 所述功率驱动芯片 的B相电路输出连接至两。

20、相步进电机的B相绕组。 0037 本发明取得如下有益效果： 0038 1.本发明在FPGA内部对正余弦信号进行了细分， 通过细分驱动技术和谐波减速器 提高了步进电机的精度和运行平稳性， 克服了高精度定位问题。 0039 2.本发明删去了传统控制方案中的D/A转换电路， 降低了工程实现成本， 减少了失 效环节， 提高了系统可靠性， 满足星载驱动机构的高可靠性要求。 附图说明 0040 图1为本发明的步进电机细分控制系统的整体结构示意图。 0041 图2为本实施例的正余弦曲线细分示意图。 具体实施方式 0042 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施 例是本。

21、发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 0043 一方面， 本发明提供了一种步进电机细分控制系统， 如图1所示， 所述系统包含： 0044 依次连接的FPGA、 功率驱动芯片、 步进电机和谐波减速器； 0045 其中， FPGA中包含， 说明书 3/6 页 6 CN 110912476 A 6 0046 正余弦信号模块， 输出正余弦信号； 0047 锯齿波信号模块， 输出锯齿波信号； 0048 比较器模块， 所述正余弦信号模块输出的正余弦信号和所述锯齿波信号模块输出 的锯。

22、齿波信号同时传输至比较器模块， 所述比较器模块比较所述正余弦信号和所述锯齿波 信号， 输出PWM(Pulse Width Modulation， 脉宽调制)信号， PWM信号的占空比(指在一个脉 冲循环内， 通电时间相对于总时间所占的比例)按正余弦信号的规律变化； 0049 所述功率驱动芯片， 集成了H桥电路的功率放大芯片， 通过PWM信号控制电路通断， 通过方向控制信号控制电流流动方向， 所述功率驱动芯片具有较大的电流输出能力， 从而 使电机输出较大的转动力矩。 0050 所述步进电机， 将电脉冲信号转变为角位移和/或线位移， 输出转矩和角分辨率至 所述谐波减速器； 0051 所述谐波减速器。

23、， 放大所述转矩和提高角分辨率。 0052 进一步地， 所述步进电机为两相步进电机， 有A相绕组和B相绕组， 所述功率驱动芯 片选择LMD18200芯片； 0053 进一步地， 所述LMD18200芯片集成了两组H桥电路， 分别称为A相电路和B相电路， A 相电路有两个输入控制引脚分别为PWM信号输入引脚 “PWM_A” 和方向控制信号输入引脚 “DIR_A” ， A相电路有两个输出引脚连接至两相步进电机的A相绕组； 0054 同理， 所述LMD18200芯片B相电路有两个输入控制引脚分别为PWM信号输入引脚 “PWM_B” 和方向控制信号输入引脚 “DIR_B” ， B相电路有两个输出引脚连。

24、接至两相步进电机 的B相绕组。 0055 进一步地， 所述谐波减速器， 其减速比的选择主要考虑输出转矩需求和角分辨率 需求。 在一个实施例中， 两相步进电机步距角为1.8 ， 细分数选择为10， 减速比为100时， 输 出的角分辨率可达到0.0018 ， 即6.48角秒左右， 同时输出转矩放大100倍， 可满足星载驱动 机构的精度和转矩要求。 0056 另一方面， 本发明提供了基于上述步进电机细分控制系统的细分控制方法， 该方 法包含如下步骤： 0057 S1， FPGA中的正余弦信号模块， 输出正余弦信号； 0058 具体地， 由于FPGA很难实现正余弦计算， 因此， 首先按式(1)离线计算。

25、得到正弦数 值y(k)： 0059 0060 其中， N代表细分数， M代表信号幅值， k0N， k即为数据地址； 0061 随后， 将上述计算得到的(N+1)个正弦数值取整后存储到FPGA的ROM(Read Only Memory， 唯读记忆体， 用来存储和保存数据， ROM数据不能随意更新， 在任何时候都可以读 取， 即使是断电， ROM也能够保留数据)中； 0062 随后， 当FPGA按地址0N0N0的顺序依次读取ROM数据时， 即可输出一个周 期的正弦信号， 同时FPGA输出该正弦信号的方向， 前二分之一周期记为0， 后二分之一周期 记为1， 即0代表正弦信号的值为正， 1代表正弦信号。

26、值为负； 0063 余弦信号的产生方法， 当FPGA按地址N0N0N的顺序依次读取ROM数据时， 说明书 4/6 页 7 CN 110912476 A 7 即可输出一个周期的余弦信号， 同时FPGA输出该余弦信号的方向， 前四分之一周期为0， 中 间二分之一周期为1， 最后四分之一周期为0， 即0代表余弦信号的值为正， 1代表余弦信号值 为负。 0064 在一个具体实施例中， 当N取8， M取1时得到的正余弦曲线细分示意图， 如图2所示， 阶梯状曲线是8细分后FPGA产生的实际的正余弦曲线， 光滑曲线是理想的正余弦曲线。 8细 分指的是N取8。 0065 S2， FPGA中的锯齿波信号模块， 。

27、输出锯齿波信号； 0066 具体来说， 在锯齿波信号模块中设有一个1M的循环计数器， 其中M的大小决定所 述PWM信号的频率， 此M值和S1中的M值大小相等。 当FPGA的时钟频率为Clk， 则PWM信号的频 率为Clk/M， M值选取不能过小， 否则S1中正余弦信号的取整误差会比较大， 同时PWM信号频 率Clk/M控制在5kHz20kHz范围内。 在一个具体实施例中， FPGA的时钟频率Clk等于30MHz 时， 则M的取值范围为15006000之间， 此M的取值范围是根据FPGA时钟频率Clk变化而变化 的， 只要最终保证Clk/M在5kHz20kHz范围内即可。 0067 S3， 所述。

28、比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较， 输出PWM信号 至所述功率驱动芯片， PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化； 0068 具体来说， 0069 1)当锯齿波信号小于正弦信号时， 输出F_PWM_A信号为1， 反之输出F_PWM_A信号为 0， 此F_PWM_A信号输出至所述LMD18200芯片的 “PWM_A” 引脚， 同时将S1中的正弦方向信号输 出至所述LMD18200芯片的 “DIR_A” 引脚； 0070 2)当锯齿波信号小于余弦信号时， 输出F_PWM_B信号为1， 反之输出F_PWM_B信号为 0， 此F_PWM_B信号输出至所述LMD18200芯片的 “P。

29、WM_B” 引脚， 同时将S1中的余弦方向信号输 出至所述LMD18200芯片的 “DIR_B” 引脚； 0071 本发明中，“引脚” 是从集成电路(芯片)内部电路引出与外围电路的接线， 所有的 引脚就构成了这块芯片的接口。 0072 S4， 所述功率驱动芯片的A相电路输出连接至步进电机的A相绕组， 所述功率驱动 芯片的B相电路输出连接至两相步进电机的B相绕组， 驱动步进电机转动； 0073 S5， 所述步进电机输出步距角至谐波减速器， 根据转矩需求和角分辨率需求选择 减速比。 0074 综上所述， 第一方面， 本发明提供了一种步进电机细分控制系统， 该系统包括现场 可编程门阵列(FPGA)、。

30、 功率驱动芯片LMD18200、 两相步进电机、 谐波减速器。 该系统通过正 余弦信号细分复加谐波减速器的方式， 可提高步进电机的定位精度和转动平稳性。 0075 第二方面， 本发明基于上述系统提供了一种步进电机细分控制方法， 该方法通过 FPGA编程产生正余弦细分信号和方向信号， 细分数可调， 通过FPGA编程实现锯齿波信号且 该锯齿波信号频率可调， 通过FPGA编程实现比较器功能， 正余弦细分信号和锯齿波信号比 较后产生PWM信号； 将所述PWM信号和方向信号输出至LMD18200芯片相应管脚， 驱动步进电 机转动； 该方法附加一级谐波减速器， 进一步提高角度分辨率和输出转矩。 该方法提供。

31、了 FPGA中正余弦信号模块、 锯齿波信号模块和比较器模块的生成方式。 本发明还提供了FPGA、 功率驱动芯片LMD18200、 两相步进电机和谐波减速器之间的连接关系。 本发明提供的步进 电机细分控制方法， 删去了传统步进电机控制方案中的D/A转换电路， 直接通过数字信号比 说明书 5/6 页 8 CN 110912476 A 8 较的方式产生PWM信号驱动步进电机转动， 降低工程成本， 提高系统可靠性。 0076 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍， 但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。 在本领域技术人员阅读了上述内容后， 对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。 因此， 本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 说明书 6/6 页 9 CN 110912476 A 9 图1 图2 说明书附图 1/1 页 10 CN 110912476 A 10 。