基于FPGA的步進(jìn)電機控制器研究和實現(xiàn)

摘要：步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中。為了提高對步進(jìn)電機的細(xì)分要求，提出了基于FPGA控制的步進(jìn)電機控制器方案。給出了用VHDL語言層次化設(shè)計各功能模塊的過程，利用QuartusⅡ進(jìn)行仿真，給出了仿真結(jié)果，并成功地在FPGA器件上驗證了設(shè)計的可能性。采用FPGA器件和VHDL語言，只需修改模塊程序參數(shù)，而無須修改硬件電路就能實現(xiàn)各種控制。該設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠，可根據(jù)實踐需要靈活方便進(jìn)行配置。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機；FGPA；控制器；QuartusⅡ

步進(jìn)電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。由于工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，諸如自動化控制、精密機械加工、航空航天技術(shù)，以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準(zhǔn)等的高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ竭M(jìn)電機的細(xì)分要求越來越高。實踐證明。步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進(jìn)電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。采用FPGA控制步進(jìn)電機，利用其中的EAB可以構(gòu)成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表，利用FPGA設(shè)計的數(shù)字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，并對多相步進(jìn)電機進(jìn)行靈活控制。當(dāng)改變控制波形表的數(shù)據(jù)，增加計數(shù)器的位數(shù)，提高計數(shù)精度后，就可以對
步進(jìn)電機的步進(jìn)轉(zhuǎn)角進(jìn)行任意細(xì)分，從而實現(xiàn)步進(jìn)轉(zhuǎn)角的精確控制。

1 步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制器工作原理
圖1是步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制器系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由PWM計數(shù)器，波形ROM地址計數(shù)器，PWM波形ROM存儲器、比較器、功放電路等緝成。其中，PWM計數(shù)器在脈寬時鐘的作用下遞增計數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數(shù)字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數(shù)據(jù)A[3．．0]，B[3．．0]，C[3．．0]，D[3．．0]分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當(dāng)PWM計數(shù)器的計數(shù)值小于波形ROM輸出的數(shù)值時，比較器輸出低電平，當(dāng)PWM計數(shù)器的計數(shù)值大于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據(jù)步進(jìn)電機8細(xì)分電流波形的要求，將各個時刻的細(xì)分電流波形所對應(yīng)的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數(shù)器產(chǎn)生。通過對地址計數(shù)器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動速度、工作／停止?fàn)顟B(tài)。FPGA產(chǎn)生的PWM信號控制各功率管驅(qū)動電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中PWM信號隨ROM數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號的占空比，即可實現(xiàn)限流及細(xì)分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)步距細(xì)分的目的。輸出細(xì)分電流信號采用FPGA中LPM_ROM查表法，它是通過在不同地址單元內(nèi)寫入不同的PWM數(shù)據(jù)，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。

2 步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制器的FPGA實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)功能設(shè)計
運用自上而下(top-down)的設(shè)計思路，將系統(tǒng)按功能逐層分割實現(xiàn)層次化設(shè)計。根據(jù)步進(jìn)電機細(xì)分控制框圖，將該系統(tǒng)分為PWM計數(shù)器(CNT8)、地址計數(shù)器(CNT24)、DEC2、PWM波形ROM、數(shù)字比較器(CMP3)、數(shù)據(jù)選擇器(BUSMUX)6個功能模塊，前3個模塊用VHDL語言編程描述各模塊的接口及電路功能；后3個模塊可選擇LPM庫中的適當(dāng)模塊，并為其設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)，以滿足自己的需要。因而可在自己的項目中十分方便地調(diào)用優(yōu)秀電子工程技術(shù)人員的硬件設(shè)計成果。
CNT8是PWM計數(shù)器，在時鐘脈沖作用下遞增計數(shù)，以產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到四相步進(jìn)電機各相數(shù)字比較器的一端。圖2為它的仿真波形。

CNT24是可逆計數(shù)器，其U-D端即加減控制端作為控制電機正反轉(zhuǎn)的方向控制端。高電平時計數(shù)器加計數(shù)，電動機正轉(zhuǎn)；低電平時計數(shù)器減計數(shù)，電動機反轉(zhuǎn)。計數(shù)器的模應(yīng)該等于電動機運行1個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍(該處模等于32)。仿真波形如圖3所示。