基于FPGA的星載步進電機控制電路設計

林方，王煜，付毅賓，陸釩，常振,，邱曉晗,

1.中國科學技術大學，合肥 230031 2.中國科學院 安徽光學精密機械研究所，合肥 230031

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基于FPGA的星載步進電機控制電路設計

林方1，王煜2,*，付毅賓2，陸釩2，常振1,2，邱曉晗1,2

1.中國科學技術大學，合肥 230031 2.中國科學院 安徽光學精密機械研究所，合肥 230031

針對航天設備在軌運行時間長、不易更換的特點，提出了一種力矩寬且范圍可調的步進電機控制電路設計。該電路原理樣機以Xilinx公司的XC3S400pq-208型FPGA為核心控制芯片，以LMD18200為步進電機驅動芯片。在對電路總體設計進行介紹的基礎上，重點闡述了航天過程中步進電機阻力矩增加的問題，以及通過脈沖頻率和PWM控制技術調節輸出力矩的方法。試驗結果表明，力矩可調范圍的最大值能夠使力矩裕度達到4，匹配步進電機在軌運行過程中的力矩要求。

航天設備；力矩可調；步進電機控制電路；FPGA；PWM控制技術

步進電機是航天設備上的常用部件，適用于轉速要求不高、轉距要求不大、間歇性轉動的場合，如位置調整機構。在位置調整時，因其具有可施加靜止力矩的特點，在轉動到位后，無需附加的鎖緊機構，即可保持固有位置。

步進電機的基本理論和常用控制方法，如脈沖寬度調制控制方法、加減速控制方法和細分驅動控制方法，在21世紀初就已成熟[1]。近年來，基于FPGA的步進電機控制技術也取得了巨大進步[2]。本設計嘗試將FPGA用于星載步進電機的控制上，并基于步進電機的基本控制理論，完成滿足航天要求的特殊設計。

步進電機在軌運行的初期，阻力矩較小，小輸出力矩就能夠維持其正常運轉。而步進電機在軌運行的中后期，由于電磁效率的降低和固體潤滑劑磨損等因素，維持步進電機正常運轉所需的輸出力矩會不斷增大。但如果在電機入軌初期就將輸出力矩固定在一個能夠滿足步進電機后期正常運轉的最大值上是不合理的(原因在第3.4節中詳述)。故本文提出了一種輸出力矩寬范圍可調設計，使步進電機的輸出力矩能夠在大范圍內調節，目的是能夠匹配步進電機在軌運行各個時期的輸出力矩要求。

除力矩寬范圍可調設計外，為了能夠使步進電機對光路可能出現的偏移進行在軌調節，加入了半步停止的設計。最后，文中也將簡單闡述如何防止空間輻射帶來的單粒子翻轉效應[3]。

1 工程背景概述

星載差分吸收光譜儀[4](Different Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)通過測量天底散射光探測大氣成分，是環境檢測和大氣物理研究中的有效手段。差分吸收光譜儀內部利用步進電機驅動轉動部件，以切換光路。本文論述了光譜儀中步進電機控制電路的設計。

星載差分吸收光譜儀內部光路[5]如圖1所示。其中，兩個步進電機分別驅動光路切換轉動部件和漫反射體轉動部件。兩個轉動部件分別有2個和3個位置，組合形成3種不同的光路，分別為太陽光定標光路、地球測量主光路和標準燈測量光路。

光路切換轉動部件和漫反射體轉動部件結構相似。光路切換轉動部件的結構如圖2所示。

圖2中，步進電機軸連接轉盤，用于光路切換的反射鏡固定于轉盤上，跟隨轉盤轉動。磁鋼置于轉盤側面，當磁鋼靠近霍爾接近開關時，霍爾接近開關產生霍爾信號并傳遞到步進電機控制電路，控制電路根據接收到的霍爾信號確定“零位”，再根據所需到達的位置繼續轉動相應的步數。步進電機單向轉動，每次切換位置時首先校準“零位”，以消除失步造成的誤差。

2 整體方案

根據設計需求，本設計的整體結構如圖3所示。星載CPU通過滿足RS-422電平規范的差分串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)向控制電路發送命令，驅動電機，并接收控制電路回傳的電機狀態信息。

控制電路以FPGA作為邏輯控制元件，完成SPI接口的通信功能，產生電機驅動時序，采集電機狀態信息。FPGA作為邏輯元件使得整體結構簡潔，拓展方便，響應速度快，并且易于產生調節電機驅動電流的PWM波。

電機驅動芯片選用美國國家半導體公司(National Semiconductor)生產的LMD18200芯片[6]。芯片為H橋結構，兼容TTL和CMOS輸入，可提供最大3A的持續電流，可通過PWM波占空比調節電機繞組內電流。驅動一個本設計所選用的兩相四線步進電機需要兩塊LMD18200芯片。

試驗用電機采用兩相四線100齒結構、步距角為0.9°的混合式步進電機。混合式步進電機轉子為永磁材料，定子為線圈加軟磁體結構，電機一周均勻分布N、S極，通過控制線圈電流，使轉子相對定子旋轉，每個電流切換周期步進一個齒距?；旌鲜讲竭M電機結合了反應式與永磁式的優點，廣泛應用于工業自動化等性能要求較高的場合[7]。

3 設計實施

3.1 通信指令設計

本設計中，星載CPU與FPGA通過SPI總線[8-9]進行通信，通信中使用到兩種指令，兩種指令同為96位，分別為圖4(a)所示的轉動指令和圖4(b)所示的查詢指令。

其中，轉動指令控制步進電機轉動到指定位置，查詢指令查詢步進電機狀態信息。

轉動指令中，“指定位置”表示星載CPU要求電機轉動到的位置；“轉動電流”和“轉動速度”分別調節電機運行時繞組內電流和脈沖頻率；“整步停止電流”和“半步停止電流”調節步進電機停止時繞組內電流；“主備切換”負責主板和備用板的切換；“校驗字節”由主機向從機發送，為前10字節的亦或值；“應答字節”由從機向主機發送，表示從機是否正確接收了指令。

查詢指令中，“電機狀態反饋”表示電機轉動或停止；“電機位置反饋”表示電機當前所處的位置；“繞組電流反饋”表示當前繞組內的電流大小。“芯片過熱標識”和“無法停止標識”分別表示電機的驅動芯片過熱和電機無法停止，是步進電機控制電路的自動應急措施[10-11]。芯片過熱標識通常在電機堵轉、電流過大時將第0位置1；無法停止標識通常在電機堵轉或霍爾接近開關失效時將第0位置1。

3.2 FPGA結構

FPGA內部結構如圖5所示，其中Communication模塊負責實現SPI通信功能，Control模塊負責單個電機的控制，通用性強，易于拓展。

FPGA設計中，不使用狀態機，僅使用計數器實現功能。這種設計方式一定程度上避免了空間輻射造成的FPGA中單粒子翻轉的影響。

3.3 電路運行過程

本設計在FPGA中設置了16位的“當前位置”內部寄存器。電路接收到星載CPU的指令后，運行過程如圖6所示。

FPGA在接收到星載CPU指令后，首先判斷指令類型。若為“查詢指令”，則將相應的電機狀態信息返回星載CPU；若為“轉動指令”，首先判斷“指定位置”字節與“當前位置”寄存器的值是否相等。若相等，表示電機正處于要求位置，無需轉動；若不相等，產生驅動時序，電機開始轉動。若FPGA輸出了能夠轉動4圈的驅動時序，但仍未接收到霍爾信號，表示電機出現問題，此時電機停止，將“無法停止標識”置1，并等待地面處理；若接收到霍爾信號，表示電機運轉正常，在轉動到“指定位置”時停止，等待星載CPU的下一條指令。

3.4 力矩可調設計

電機驅動電路采用力矩寬范圍可調設計，本節將闡述采用該設計的原因和實現該設計的方法。

(1)輸出力矩

步進電機的輸出力矩與脈沖頻率、繞組內電流有關。

圖7中，曲線3電流最大，曲線1電流最小。如圖所示，相同條件下，步進電機的輸出力矩與脈沖頻率成反比，與繞組內電流成正比[12]。

特別地，圖8為步進電機矩頻特性曲線[13]，當步進電機由靜止起動時，輸出力矩需要至少達到起動力矩。當其他條件(繞組內電流、負載、驅動形式)固定時，電機能夠起動的最大頻率稱為“最大起動頻率”，電機能夠運行的最大頻率稱為“最大運行頻率”。

綜上所述，增大電機輸出力矩，需要減小脈沖頻率(減慢電機轉速)或增大繞組內電流。而減小脈沖頻率會導致電機的振動增大，加劇電機磨損；增大繞組內電流會導致產生的熱量增加，使得電機溫度和散熱系統溫度升高，加劇二者的磨損。力矩寬范圍可調設計可以在步進電機在軌運行的初期，采用小力矩的驅動方式，而在后期根據需要逐漸增加力矩。

(2)時序設計

本設計使用兩相四線步進電機，采用半步8拍的驅動方式，驅動時序如圖9所示。其中，A、A′、B、B′分別表示電機的4線，A與A′控制電機的一相(繞組1)，B與B′控制電機的另一相(繞組2)。當A為1(邏輯高電平)，A′為0(邏輯低電平)時，電流由A流向A′；當A′為1，A為0時，電流由A′流向A；當A與A′同為0時，繞組內無電流。8拍的驅動方式為：A′B′-B′-AB′-A-AB-B-A′B-A′，其中，步進電機每拍轉動0.45°。

設計通過控制驅動時序每拍的時間，以控制步進電機的轉動速度。

(3)電流調節

利用LMD18200芯片，能夠通過PWM波占空比對步進電機繞組內電流進行調節[14]。

通常，PWM波的周期固定，占空比能夠根據需求調節。如圖10所示，T為PWM波的周期，t/T為PWM波的占空比。

繞組兩端的實際電壓如圖11所示。其中，A與A′都為邏輯低電平時，繞組兩端電壓為0，繞組中無電流；A與A′分別為PWM波和邏輯高電平時，因為PWM波一端平均電壓較小，電流由高電平一端流向PWM波一端。

LMD18200芯片內存在反向器，輸入芯片的PWM波占空比越大，芯片在繞組一端施加的PWM波占空比越小。隨著繞組一端占空比的減小，繞組電壓增大，繞組內電流增大。

利用PWM波控制繞組內電流可以有效降低步進電機功耗。電機轉動過程中，繞組內電流產生的磁場隨時間變化，在繞組內產生感應電動勢[15]。感應電動勢公式如下：

(1)

式中：u為感應電動勢；L為電感系數；i為電流；t為時間。感應電動勢方向通常與實際電壓方向相反，能有效防止電機繞組內電流過大，降低步進電機功耗。

圖12大圖為繞組內電流在電機轉動過程中的變化趨勢，小圖為波形上一點放大后，繞組內電流和繞組一端PWM波的對比。如圖所示，繞組內電流隨PWM波呈鋸齒狀變化。根據式(1)，相對于穩定電壓的驅動方式，PWM波的驅動方式將產生更大的反向感應電動勢，能更有效地減小電機功耗。

(4)力矩裕度

為衡量步進電機能否在入軌中后期依然正常運行，引入力矩裕度的概念。根據歐洲空間標準化組織提供的轉動機構標準[16-17]，電機力矩裕度公式為：

(2)

式中：ηM為電機力矩裕度；T為電機輸出力矩大小；Tβ為電機軸承摩擦力矩大小；Tα為電機啟動慣性力矩大小。

電機在軌運行的中后期，為了維持電機的正常運轉，輸出力矩需不斷增加，電機長期運行后的力矩裕度為：

(3)

式中：τ、β、ρ、γ、δ、ε、ξ均為導致力矩裕度下降的因子,τ為電壓因子，β為輸出力矩的溫度因子，ρ為磁性強度因子，γ為電機軸承系數、δ為摩擦力矩的溫度因子，ε為潤滑因子，ξ為機械加工離散性因子。

航天應用中，要求步進電機的力矩裕度在3～7之間，以滿足步進電機在軌長期運行的要求。

3.5 位置調整

每次切換光路，步進電機轉動到星載CPU要求的指定位置，這個位置是發射前在地面裝配時確定的。但是設備在軌運行一段時間后，可能需要對指定位置進行微調。

在調整過程中，根據回傳圖像，在原指定位置前后調節，以確定新的最佳位置。在調節過程中，步距角越小，調節越精確。本設計在整步停止的基礎上，加入半步停止機制，進一步縮小了步距角。

圖13以4齒步進電機為例，展示了步進電機的整步停止和半步停止。步進電機在整步停止時，如圖13(a)所示，定子的軟磁材料和轉子的永磁材料之間，存在一個磁力矩(靜止力矩)，使它們的相對位置保持在磁間隙最小的狀態；步進電機半步停止時，如圖13(b)所示，轉子保持在磁間隙最大的位置。半步停止時，繞組需外加電流克服永磁材料的磁力矩，使電磁力矩和永磁力矩達到平衡。此時的電流，稱為半步停止電流，同樣通過PWM波的占空比調節，可在“轉動指令”中通過“半步停止電流”字節進行設置。半步停止電流越大，定位力矩越大，但同時產生的熱量也越大。

3.6 預研樣機

在本設計中，硬件邏輯設計由Verilog HDL語言實現，測試中使用Xilinx公司的Spartan3系列XC3S400pq-208型FPGA，綜合后FPGA中的資源占用情況如表1所示。

表1 FPGA資源占用情況

硬件電路設計為單板4層結構，使用Cadence設計原理圖，Altium Designer設計PCB圖，電路板實物如圖14所示。左邊的接線端子為驅動時序的輸出和霍爾信號的輸入，4片相同芯片為LMD18200電機驅動芯片，中央芯片為FPGA，右下角的接線端子和芯片構成了差分SPI接口。

本設計還構建了上位機軟件，上位機軟件用于在實驗室測試中模擬星載CPU，實現同步串行通信功能。上位機使用WPF(Windows Presentation Foundation)用戶界面框架及C#語言編寫。

4 結果分析

4.1 試驗設備

力矩測試的試驗設備如圖15所示。步進電機放置在試驗平臺上，通過上位機和測試電路向步進電機控制電路發送命令以改變電機的繞組電流和轉動速度，繞組內電流通過電流示波器監視。電機軸連接半徑已知的特制模具，模具連接砝碼，測量力矩。當砝碼懸掛點穩定在電機軸所在的水平面時，通過砝碼質量計算出的輸出力矩，即為當前速度和電流所能夠產生的輸出力矩。

測量精度的裝置與圖2相似。

4.2 力矩調節

測試中，無負載狀態下，電機脈沖頻率大于1 250 Hz(轉速大于0.64 s/圈)時，電機無法正常啟動；電機脈沖頻率小于312.5 Hz(轉速小于2.56 s/圈)時，電機產生明顯振動。本設計中，初始脈沖頻率設置為1 000 Hz(0.8 s/圈)。

PWM周期為3.2 μs。初始頻率下，電機每步包含312.5個PWM周期，當占空比達到25%時電機可正常運轉。

初始脈沖頻率下，PWM波占空比、電機繞組內電流和電機輸出力矩關系如圖16所示。其中，圖16(a)展示了占空比的變化導致電流變化，圖16(b)展示了電流的變化導致了輸出力矩的變化。

具體的試驗數據顯示，初始頻率下，占空比每增加3.125%，電流增加0.01～0.04 A，輸出力矩范圍為從0.013～0.102 N·m。

當電流調節無法產生足夠的輸出力矩時，再進行速度調節。

本設計在PWM波占空比為100%，脈沖頻率為800 Hz時，力矩裕度可達到4，由于速度還有大量的可調節空間，故有足夠的力矩余量，滿足航天設計的要求。

由本節敘述可知，步進電機驅動電路所能調節的輸出力矩范圍能夠匹配步進電機從入軌初期到末期的輸出力矩要求。

4.3 運行精度

轉動部件要求轉動到的3個位置分別為70.2°、87.3°和154.8°，要求的控制精度為±0.9°，本設計可達到的控制精度為±0.45°，滿足設計要求。

初始速度下(0.8 s/圈)，磁鋼和霍爾接近開關距離為1 mm時，霍爾接近開關的測量精度為單方向0.225°，小于0.45°，故系統零位穩定，符合設計要求。

5 結束語

本設計通過繞組內電流和脈沖頻率，實現了寬范圍在軌調節步進電機輸出力矩的功能?；诖斯δ?，一顆8～10年的長壽命衛星，可以在入軌初期采用小電流高速度的小力矩驅動方式，減少對結構的磨損。

而在入軌中后期，隨著阻力矩變大，長壽命衛星通常需要在運行的中期和后期分別進行一次調整。在調整時，首選增加電流，當增加電流無法滿足輸出力矩的需要時，再降低速度。這種設計，能夠有效延長電機壽命，同時給使用者最大的調節空間。

該設計的接口，通用性強，功能齊備，覆蓋了星載設備要求的功能和性能指標，可作為通用設計在今后多種場合使用。

目前，該設計已完成預研樣機，還需完成如下后續工作：

1)器件等級提升。在原理樣機和工程樣機中，擬采用軍級、航天級器件，為抵抗空間輻射[18]，防止單粒子翻轉[19-20](Single Event Upset， SEU)，FPGA擬采用反熔絲型FPGA。

2)主備板切換電路設計。原理樣機階段，擬設計為主備板結構。即設計兩套相同電路并通過切換機構進行切換。

3)可靠性設計。根據航天工藝，加入可靠性設計。例如電阻電容的降額使用。

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(編輯：高珍)

Design of stepper motor control circuit for satellite based on FPGA

LIN Fang1，WANG Yu2,*，FU Yibin2，LU Fan2，CHANG Zhen1,2，QIU Xiaohan1,2

1.UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230031，China2.AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics，ChineseAcademyofScience，Hefei230031，China

A design of a circuit controlling stepper motors in a wide range of moment for special characteristics of long in-orbit operation and the difficulty to replace in space equipments was proposed. This design utilizes FPGA,Xilinx chip XC3S400-208, as the core control chip and LMD18200 as the driving chip of stepper motors. On the basis of a description of the circuit, the problem of the increase of resistance moment and the solutions of output moment adjustment in space equipments by PWM control and impulse frequency were discussed.Tests verified that the design′s maximum value of output moment in range makes moment margin reach 4 and the range of adjusting matches the requests of space equipments.

space equipments; adjustable moment; a circuit controlling stepper motors; FPGA; PWM control

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0022

2016-11-09；

2016-11-30；錄用日期：2017-01-24；網絡出版時間：2017-05-31 14:13:19

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.1413.012.html

國家自然科學基金(41275037)，安徽省自然科學基金(1408085MKL49)

林方(1992-)，男，碩士研究生，flin@aiofm.ac.cn，研究方向為電子學開發、電機控制等

*通訊作者：王煜(1970-)，男，博士，研究員，yuwang@aiofm.ac.cn，研究方向為電子學開發、光電信息獲取、CCD成像光譜儀等

林方,王煜,付毅賓,等.基于FPGA的星載步進電機控制電路設計[J].中國空間科學技術,2017,37(3)：77-85.

LINF,WANGY,FUYB,etal.DesignofsteppermotorcontrolcircuitforsatellitebasedonFPGA[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(3)：77-85(inChinese).

TM 351

A

http:∥zgkj.cast.cn