基于FPGA的步進(jìn)電機控制器設(shè)計

　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特殊電機，每改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一步。目前大多數(shù)步進(jìn)電機控制器需要主控制器發(fā)送時鐘信號，并且要至少一個I/O口來輔助控制和監(jiān)控步進(jìn)電機的運行情況。在單片機或DSP的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常配合CPLD或者FPGA來實現(xiàn)特定的功能。本文介紹通過FPGA實現(xiàn)的步進(jìn)電機控制器。該控制器可以作為單片機或DSP的一個直接數(shù)字控制的外設(shè)，只需向控制器的控制寄存器和分頻寄存器寫入數(shù)據(jù)，即町實現(xiàn)對步進(jìn)電機的控制。

　　1 步進(jìn)電機的控制原理

　　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。步進(jìn)電機可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(簡稱“VR”)、永磁式步進(jìn)電機(簡稱“PM”)和混合式步進(jìn)電機(簡稱“HB”)。

　　步進(jìn)電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。

　　步進(jìn)電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由各類控制器來產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

　　①控制換相順序，通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機的單四拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷，控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機正轉(zhuǎn);如果按反序換相通電，則電機就反轉(zhuǎn)。

　　②控制步進(jìn)電機的速度。如果給步進(jìn)電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調(diào)速。

　　2 控制器的總體設(shè)計

　　控制器的外部接口電路如圖1所示。各引腳的功能如下：

　　控制器的內(nèi)部原理框圖如圖2所示，由命令字寄存器(Cmd_reg)、分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back)、分頻器、相位輸出狀態(tài)機組成。

　　其中命令字寄存器Cmd_reg組成如下(對應(yīng)的地址為“00”)：

　　X未用位。

　　Ini對控制器初始化為1時有效。當(dāng)該位為1時，備份寄存器的數(shù)據(jù)直接裝入分頻器的寄存器reg_dATA[15～0]，裝入后由硬件自動置O。

　　Newr當(dāng)對正在運行的控制器寫入新的分頻系數(shù)時，對該位置1;當(dāng)下一個分頻器輸出的clkout時鐘來到時，將fdiv_back寫入到reg_data[15～0]中，分頻器便按新的分頻系數(shù)進(jìn)行分頻。

　　Manner[1～0] 電動機的驅(qū)動方式，用來控制相位輸出狀態(tài)機的輸出，“00”表示單四拍方式，四相位輸出為(A-B-C-D);“Ol”表示雙四拍，四相位輸出為(ABBC-CD-DA)，八拍(A-AB-B-BC-C-CD-DDA)。

　　分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back) 兩字節(jié)寄存器，reg_data[15～0]為分頻器的一個16位寄存器，接收fdiv_back的值，對系統(tǒng)的分頻為2～65536。對于12MHz的輸入頻率，分頻后頻率為6MHz～183Hz，(本設(shè)計中，步進(jìn)電機的啟動轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距、加速度由使用者根據(jù)實際情況自己計算)分頻后每個clkout走一個步距角。對于步距角為1.8°的電機，可以滿足各種速度的要求。

　　3 分頻器的設(shè)計

　　分頻器是該控制器實現(xiàn)的關(guān)鍵，在這里作為一個獨立的模塊，dATA[15～0]為分頻系數(shù)。系統(tǒng)時鐘Clk被分頻系數(shù)寄存器中值分頻后，輸出Clkout作為相位輸出狀態(tài)機的時鐘，每個Clkout到來時，產(chǎn)生一次相位轉(zhuǎn)換，步進(jìn)電機運行一個步距角。分頻器的程序如下：

　　圖3所示為3分頻時單四拍的輸出仿真圖。

　　結(jié)語

　　本文的創(chuàng)新點為將該步進(jìn)電機控制器的控制字和分頻系數(shù)映射在主控制器(DSP或單片機等)的內(nèi)存空間，控制時僅需對其進(jìn)行寫操作，使步進(jìn)電機的控制變得簡單方便;而且，可節(jié)省主控制器(DSP或單片機等)的外圍資源，減少板上負(fù)載。系統(tǒng)中可以加入電機運行總步數(shù)控制寄存器及其電路、加速度寄存器及其控制電路等，打造一個更智能的步進(jìn)電機控制器。