基于FPGA和LMD18200的步进电机控制系统*

0 引 言

步进电机是一种数字脉冲信号驱动的电机，通过改变步进电机输入的脉冲总数、频率以及各相绕组的通电顺序，可以得到不同的运行特性[1-2]。本文讨论了一种以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)控制为核心、结合专用H桥直流电机驱动芯片LMD18200，实现对步进电机全数字化驱动控制的一种方法。

1 系统总体设计

本设计采用MCU +FPGA的软硬件协同控制方式。MCU用于人机交互、接收上位机命令并解析后交给FPGA；FPGA接收指令，同时处理步进电机驱动信号复杂的时序以及完成位置闭环控制。MCU为STM32F103ZET6，FPGA采用CYLONE III系列的EP3C25Q240C8芯片。系统结构框图如图1所示。本文主要介绍FPGA内部的闭环控制单元和PWM脉宽调制单元的设计方法。

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图1 系统结构简图

FPGA主要由APB(Advanced Peripheral Bus)总线接口单元、位置检测模块、闭环控制单元以及PWM脉宽调制单元组成。MCU通过APB总线接口能够实现对总线接口单元中的寄存器进行读写操作。APB总线协议AMBA总线结构之一，由ARM公司提出，其控制信号简单，操作灵活[3-4]。

STM32写入的参数包括目标距离、加/减速距离、最大匀速速度、尖峰速度、编码器计数复位信号、方向和起动信号等信息；FPGA反馈的状态值包括编码器的实时计数值、实时速度值、限位开关量、电机闲忙信号等。表1～表3给出了接口单元中各寄存器的功能。基地址为0X65000000。

宪法学研究要同中国近现代史特别是党领导人民长期奋斗的光辉历程紧密结合起来，同改革开放和社会主义现代化建设紧密结合起来。深入研究阐释我国宪法是党领导人民长期奋斗历史逻辑、理论逻辑、实践逻辑的必然结果，反映了全党全国各族人民的共同愿望，是国家意志的最高表现形式。要正确阐释新时代依宪治国、依宪执政的内涵和意义，使宪法精神深入人心，以宪法精神凝心聚力，为把宪法实施提高到一个新水平打牢坚实的思想基础和社会基础。

表1 参数寄存器说明

读/写寄存器名偏移地址位数功能写ACC＿PRO0X0016加速路程写DEC＿PRO0X0116减速路程写GOAL0X0216目标距离写MAX＿SPEED0X038匀速速度写PAEK＿SPEED0X048尖峰速度

表2 命令寄存器说明(偏移地址0X05)

0位1位2-3位4位5位6-7位8-15位startdirmoderesetenable空con＿speedstart：控制电机起动信号；dir：控制电机的方向信号；mode：00=闭环模式，01=匀速模式，10=停止；reset：编码器值清零信号；enable：控制电机使能信号；con＿speed：匀速模式下的速度等效值

表3 状态寄存器说明(偏移地址0X06)

0位1位2位3-7位8-15位busyzeropointlimitpointerrorspeedbusy：电机闲忙标志信号；zeropoint：零点限位开关信号；limitpoint：终点限位开关信号；error：电机错误编码如：电机过热、过流、长时间没达到目标位置等；speed：电机实时速度等效值

2 LMD18200步进电机驱动原理

在IDLE状态，程序会持续监测起始信号上升沿start_pos是否有效，如果有效则进入加速状态ACC；当编码器值达到加速目标距离即ACC_PRO时，加速完成信号acc_finish有效，电机进入匀速阶段CON，该阶段电机的速度是整个阶段的最大速度，由上位机传递过来的参数MAX_SPEED决定；当编码器值达到目标值与减速距离的差值时，进入减速状态DEC，在减速状态，电机速度由最大值平滑下降；当编码器值达到目标距离goal时，减速结束信号dec_finish有效，进入IDLE状态，等待上位机的下次任务。

图2 两相双四拍工作流程图

LMD18200是美国国家半导体公司设计的专用于驱动电机的芯片，额定运行参数为：额定电流3 A，峰值电流6 A，电源电压可达55 V，功率晶体管导通电阻很小，为0.3 Ω，输入信号兼容TTL和CMOS，内置过流报警和过热报警以及自动关断[5]。LMD18200内部电路框图如图3所示。

图3 LMD18200内部电路框图

系统可以预先判断目标距离值，从而选择适合的加减速曲线：当目标距离适当时，电机经过加速、匀速、减速、校准等步骤后停止，电机匀速转动时的速度是参数MAX_SPEED的值；当目标距离较小时，不足以使电机完成加速阶段进入匀速阶段，此时选择三角加减速度曲线[8]，因此电机运行过程中存在一个尖峰速度，由参数PAEK_SPEED决定。如图5所示为不同的目标距离对应的速度曲线，当目标距离小于10时，采用三角加减速度曲线；大于10时，采用梯形加速曲线。

如之前说所，国内的教学在主要课程上分为《声乐》、《台词》、《形体》和《表演》（简称声、台、行、表），这四门课构成了戏剧影视表演类学生的主修科目，辅助的专业课程通常有《戏剧概论》、《影视作品赏析》和《话筒前配音》等，这一套课程系统的历史之久几乎伴随着表演专业在中国开设到现在。严格来说，《声乐课》和《形体课》虽然是斯坦尼体系当中的一部分，但是发展到中国已经偏离了表演教学的目的。目前的《声乐课》更多是声乐歌唱，而《形体课》更多是芭蕾基训和舞蹈训练。这两个部分的课程没有很好地针对影视表演专业，这一点已经成为目前国内表演艺术家的共识。

图4 双四拍4细分示意图

LMD18200通过24 V电源供电。DIR为方向信号，连接脉宽调制单元的PWM输出，MT为过热保护信号，当芯片过热时该信号有效并反馈至MCU。芯片的刹车输入端BEAKE和PWM输入端由STOP信号控制。当MCU检测到芯片过热信号MT有效后，可以通过STOP信号控制BEAKE和PWM使其停止工作。另一方面，电流检测输出接1个对地电阻R1，用于产生过流检测信号，该检测信号经过U3(LM339比较器)与参考电压VREF(R2和R3的分压)比较：当小于VREF时，电路按照控制流程控制电机；当大于VREF时，自动控制BEAKE信号和PWM信号使电机停止工作，起到了电机过流自动保护作用，如图8所示。

3 控制单元的逻辑实现

为了提高电机步距的分辨率，采用32细分方案，量化值存放在FPGA内部ROM1表中，因此ROM1表深度决定了驱动器的最大细分。寻址地址由加减计数器输出的speed_out决定。比例系数表ROM2中存放的是与速度值匹配的电流强度系数值。该系数决定了电机的驱动强度，但考虑到FPGA无法直接处理小于1的比例系数，代码中在比例系数ROM表中存放的是乘以256以后的值，在完成后续运算后右移8位即可。然后通过比例压缩模块将正弦波平移到中点128处，锯齿波计数器在脉宽时钟作用下递增计数，同时将产生阶梯型上升的周期性锯齿波与处理后的A、B相数据比较后输出。

3. 1 闭环控制单元

为了实现电机平稳加减速，合理的速度曲线的设计是非常重要的。常见的步进电机速度曲线有：梯形曲线、抛物线曲线和S型曲线[7]。梯形曲线经过适当优化也可以实现S型曲线的效果。

LMD18200一般用于驱动直流电机，内部只有一个H桥，因此，两相步进电机需要两片LMD18200驱动。系统的PWM脉宽调制单元输出信号连接LMD18200的方向控制端；LMD18200的PWM端保持常通，使之电流最大。调整方向控制端PWM输入的占空比可以控制步进电机的电流，从而达到对电机转动方向以及输出转矩的控制。当方向控制端的占空比均为50%时，H桥输出平均电流为0，电动机停止；当某一相占空比大于50%时，即为正转，反之为反转[6]。

图5 目标距离对应的速度曲线

为了实现步进电机按照梯形速度曲线平稳加减速,且能够在编码器的精度范围内实现闭环控制,这里采用两段式的状态机来实现。

状态机总共划分为4种状态：IDLE(空闲状态)、ACC(加速状态)、CON(匀速状态)、DEC(减速状态)，详细的状态跳转框图如图6所示。

图6 闭环控制状态转移图

本文的步进电机采用两相双四拍工作方式，即每次两相绕组同时通电，四拍一循环，流程如图2所示。

3. 2 PWM脉宽调制单元

PWM脉宽调制单元将闭环控制模块输出的速度信号调制为两相四拍的PWM信号，由A、B相分别输出到LMD18200的方向控制端。如图7所示，PLL模块产生的2 kHz和10.24 MHz时钟供后续模块使用，方向信号direction作为加减计数器的控制信号，对速度值进行自加或自减运算。两相双四拍脉冲分配表存放的是相位相差90°的正弦波量化值，高八位作为A相的正弦幅值，低八位作为B相的正弦幅值。

如果目标精度要求超过了步进电机的步距角，就需要对电机进行细分控制。以双四拍工作方式为例说明。如细分数设置为4，需要将每相绕组的电流分为4份，依次递增，呈台阶状。如图4所示表明了每相电流在细分时的状态，电流是依次增加或依次减少的，使得电机不再是经过4次状态转变就完成，而是经过16次状态转变才完成，从而实现了细分。

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图7 脉宽调制单元逻辑图

根据设计电路的需求以及功能，最主要的两个控制逻辑为闭环控制单元和PWM脉宽调制单元，下面分别进行详细介绍。

4 LMD18200硬件电路设计

由上文可知，调整PWM脉宽调制单元输出信号的占空比可以实现步进电机的细分控制，因此，得到FPGA中PWM脉宽调制单元输出正弦波中一个周期内控制点的多少，即可实现不同的细分。

某矿东069-2工作面推至接近069-1和068-1采空区下方时(图11)，受上方采空区固定支承压力的作用，高能冲击事件频繁发生，这段时间内地音活动波动较为强烈，2017年2月26日晚班，运输巷能量和频次异常系数均已接近预警线，从地音能量的小时异常系数来看，其前兆时间为8 h。冲击地压发生后，煤岩体恢复稳定状态，地音活动明显变弱。根据地音预警结果，可以使解危措施更及时和有效。

图8 硬件模块A相部分电路图

5 试验结果

由于实际应用过程中有7个步进电机要同时控制，因此FPGA内部要有7套并行的闭环控制和脉宽调制单元逻辑。FPGA选用的是ALTERA公司的Cyclone III系列EP3C25Q240C8,硬件上完全能够满足设计需要。利用Quartus12.1平台进行FPGA逻辑功能模块的设计，测试过程中系统占用的主要逻辑资源情况如表4所示。

表4 FPGA内部资源使用情况

资源类型总数使用数量所占比例LogicCells246241282852%DedicatedLogic24624482220%M9Ks132129%PLLs4250%

图9所示为步进电机加速过程中两相绕组驱动曲线图。当A/B相的占空比均为50%时，输出电流为0，电机停止运行。图9中正弦波的幅值决定了输出的电流和转矩大小；正弦波输出采样点数表明了细分的程度以及转速的大小(输出采样频率固定)。图10所示为加速、匀速、减速过程中编码器实际采样图。图11所示为仿真工具Modelsim进行仿真得到的32细分的仿真图。图11中rom的地址addr_rom由计数器模块的输出结果截位得到，深度256。ROM表中存放了周期为2π、相位差为π/4的正弦值，每次从ROM中读到的16 bit数据分配到A、B相的A_data、B_data上，作为后续与锯齿波运算的调制信号。从图11中可以看出，addr_rom的值在255后变为0，表示一个正弦波周期的结束，以此作为分界点，前半部分波形对应的节拍为A，后半部分波形对应的节拍为AB。

图9 步进电机加速过程中两相绕组驱动曲线图

图10 加速、匀速、减速过程中编码器实际采样图

图11 32细分模块仿真图

6 结 语

LMD18200芯片通常作为直流电机的驱动芯片，提出了基于FPGA和LMD18200对步进电机控制系统的设计方法。实践表明，尽管控制逻辑比较复杂，但利用LMD18200驱动逻辑能够使步进电机高效稳定地运行，有效降低了电机起动和停止时的振动和噪声，使用效果明显好于常规步进电机驱动方法。

【参 考 文 献】

[1] 陈兴文,刘燕.基于FPGA实现步进电机脉冲信号控制器设计[J].机械设计与制造,2006(2): 86-87.

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[3] 刘军,郭立,段勃,等.AMBA 2.0总线IP核的设计与实现[J].微电子学与计算机,2005,22(6): 145-148.

[4] 时晨,张伟功.基于AMBA总线UART IP核的设计与实现[J].计算机应用,2003,23(增刊): 36-38.

[5] 张军,葛悦,刘超,等.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.

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