基于FPGA的步进电机正弦波细分驱动器设计

3.6PWM发生器模块

PWM发生器模块将PI调节后输出的数据转化为PWM波形输出给IGBT模块，通过IGBT的通断切换调整相电压，进而改变相电流按照给定进行变化。PWM波形的生成是通过将给定控制数据和载波数据比较，通过比较二者大小情况确定PWM的高低电平，实现PWM调制，如图11所示。


图11　PWM模块总体框图
　　
锯齿波作为PWM载波，驱动时钟频率为200MHz，14位寄存器宽度。为减少计数器的进位链长度，采用计数器，拆分为3位计数器和11位计数器，减少了组合逻辑延迟。死区保护发生器模块根据给定的死区长度数据，将输入的PWM信号输出为PH和PL信号，分别对应IGBT的上下桥臂，并在PH和PL数据的变沿插入死区保护(同时置为低电平)。插入的死区保护是通过上升计数器和下降计数器来实现的，保证上桥臂和下桥臂不同时导通。

4 仿真
　　
对PWM模块进行功能仿真，仿真波形如图12所示。经分析，六路PWM波满足时序和死区保护的要求，实现了设计所要达到的目。将图12进行放大可见IGBT死区如图13所示。


图12PWM功能仿真波形


图13IGBT控制信号死区

5 电机运行波形及分析

把FPGA配置好之后，对系统调试电机运行时三相电流波形如图14所示，电机换向时进行反转查表，电机转速反转波形如图15所示。


图14步进电机运行时三相电流


图15步进电机反转时电流波形
　　
实验结果表明步进电机运行时三相电流相位差120度，三相电流为正弦波，电机运行平稳，电机反转时进行反相查表，转换方向时反应时间短，电流波动小。

6 结论

本控制器采用Altera公司嵌入NiosII处理器软核的FPGA实现了步进电机正弦波可变细分控制，大大提高了系统的可靠性，降低了设计成本。

控制部分采用NiosIICPU软核是系统控制更加方便灵活。CPU和各个控制模块集成在单片FPGA内，使驱动器集成度大为提高，减小了驱动器的体积。大大提高了细分精度，实现了步进电机在是低转速下的4096高细分的运行，消除了步进电机存在的低频振荡问题，控制精度显著提高，在高精密数控机床中有广泛的应用前景。