步進(jìn)電機(jī)控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)

O 引 言
隨著步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中作為伺服元件，步進(jìn)電機(jī)在實(shí)時(shí)性和靈活性等性能上的要求越來(lái)越高。那么如何靈活、有效地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)成為研究的主要方向。這里采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)四相步進(jìn)電機(jī)的控制。利用FPGA設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
硬件設(shè)計(jì)軟件化 FPGA的開(kāi)發(fā)在功能層面上可以脫離硬件在EDA軟件上做軟仿真。當(dāng)功能確定無(wú)誤后可以進(jìn)行硬件電路板的設(shè)計(jì)。最后將設(shè)計(jì)好的，由EDA軟件生成的燒寫(xiě)文件下載到配置設(shè)備中去，進(jìn)行在線調(diào)試，如果這時(shí)的結(jié)果與要求不一致，可以立即更改設(shè)計(jì)軟件，并再次燒寫(xiě)到配置芯片中而不必改動(dòng)外接硬件電路。進(jìn)行分層模塊設(shè)汁后系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，在實(shí)時(shí)性和靈活性等性能上都有很大的提高，有利于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。
高度集成化，高工作頻率 一般的FPGA內(nèi)部都集成有上百萬(wàn)的邏輯門(mén)，可以在其內(nèi)部規(guī)劃出多個(gè)與傳統(tǒng)小規(guī)模集成器件功能相當(dāng)?shù)哪K。另外，一般的FPGA內(nèi)部都有PLL倍頻和分頻電路模塊，這樣可以在外部采用較低頻率的晶振而在內(nèi)部獲得較高頻率的時(shí)鐘，進(jìn)一步解決了電磁干擾和電磁兼容問(wèn)題。

1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種自動(dòng)化執(zhí)行部件，和數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合可把脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成角位移，實(shí)現(xiàn)其正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、手動(dòng)和自動(dòng)控制。四相步進(jìn)電機(jī)有兩組線圈A和B。A，B兩組垂直擺放線圈的電流方向的排列組合，最多可以產(chǎn)生8種磁場(chǎng)方向，分別是O°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。表1給出了四相步進(jìn)電機(jī)的8個(gè)方向和電流以及電壓信號(hào)的關(guān)系。
四相電動(dòng)機(jī)有3種激磁方式：
一相激磁法：當(dāng)目標(biāo)角度是90°的整數(shù)倍時(shí)，采用這種方法。
二相激磁法：當(dāng)目標(biāo)角度是45°，135°，225°，315°的整數(shù)倍時(shí)，采用這種方法。
一、二相激磁法：即完全按照表1所列的信號(hào)順序。

2 步進(jìn)電機(jī)定位控制器的整體設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)定位控制器的系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定電路模塊、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)移動(dòng)與定位控制模塊以及編碼輸出模塊構(gòu)成。前兩個(gè)模塊完成電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定、激磁方式和定位角度的換算等工作，后一模塊用于對(duì)換算后的角度量編碼輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。