基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制器研究和實(shí)現(xiàn)

摘要：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。為了提高對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分要求，提出了基于FPGA控制的步進(jìn)電機(jī)控制器方案。給出了用VHDL語言層次化設(shè)計(jì)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(yàn)證了設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各種控制。該設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可根據(jù)實(shí)踐需要靈活方便進(jìn)行配置。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；FGPA；控制器；QuartusⅡ

    步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合對(duì)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(dòng)化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)，以及所有要求高精度定位、自動(dòng)記錄、自動(dòng)瞄準(zhǔn)等的高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的細(xì)分要求越來越高。實(shí)踐證明。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)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(jī)，利用其中的EAB可以構(gòu)成存放電機(jī)各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表，利用FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，并對(duì)多相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行靈活控制。當(dāng)改變控制波形表的數(shù)據(jù)，增加計(jì)數(shù)器的位數(shù)，提高計(jì)數(shù)精度后，就可以對(duì)
步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)角進(jìn)行任意細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)轉(zhuǎn)角的精確控制。

1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器工作原理
    圖1是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由PWM計(jì)數(shù)器，波形ROM地址計(jì)數(shù)器，PWM波形ROM存儲(chǔ)器、比較器、功放電路等緝成。其中，PWM計(jì)數(shù)器在脈寬時(shí)鐘的作用下遞增計(jì)數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時(shí)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于波形ROM輸出的數(shù)值時(shí)，比較器輸出低電平，當(dāng)PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大于波形ROM輸出數(shù)值時(shí)，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(jī)8細(xì)分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻的細(xì)分電流波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。通過對(duì)地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作／停止?fàn)顟B(tài)。FPGA產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制各功率管驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中PWM信號(hào)隨ROM數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號(hào)的占空比，即可實(shí)現(xiàn)限流及細(xì)分控制，最終使電機(jī)繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實(shí)現(xiàn)步距細(xì)分的目的。輸出細(xì)分電流信號(hào)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(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分。

2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
    運(yùn)用自上而下(top-down)的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)按功能逐層分割實(shí)現(xiàn)層次化設(shè)計(jì)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制框圖，將該系統(tǒng)分為PWM計(jì)數(shù)器(CNT8)、地址計(jì)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(gè)功能模塊，前3個(gè)模塊用VHDL語言編程描述各模塊的接口及電路功能；后3個(gè)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(xiàng)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(jì)成果。
    CNT8是PWM計(jì)數(shù)器，在時(shí)鐘脈沖作用下遞增計(jì)數(shù)，以產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時(shí)加載到四相步進(jìn)電機(jī)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(jì)數(shù)器，其U-D端即加減控制端作為控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的方向控制端。高電平時(shí)計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；低電平時(shí)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)器的模應(yīng)該等于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行1個(gè)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。

    DEC2為無細(xì)分時(shí)的電機(jī)控制模塊，控制雙四拍時(shí)的正反轉(zhuǎn)。
    步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來改變轉(zhuǎn)向，當(dāng)四相雙四拍步進(jìn)電機(jī)的通電順為AB→BC→CD→DA→AB…時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)其繞組按AD→DC→CB→BA→AD…的順序通電時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此，利用case語句編程來改變輸出脈沖的順序，以此改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序。用‘1’表示該繞組加電；用‘0’表示該繞組斷電。
   
    圖4為DEC2反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真波形。

2．2 利用VHDL文件生成元器件
    工程創(chuàng)建好以后，就可以用設(shè)計(jì)好的VHDL語言文件生成工程模塊。首先打開CNT8．vhd文件，點(diǎn)擊菜單中File→Create／Update→Crea-te Symbol Files forCurrent File命令，以生成圖5所示CNT8模塊。

    按照同樣的方法生成CNT24和DEC2模塊。將這些模塊包裝為一個(gè)symbol，以備總模塊調(diào)用，如圖5所示。
2．3 原理圖輸入設(shè)計(jì)
2．3．1 PWM_1.mif文件的設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)控制器前，必須首先完成存放PWM波形的ROM存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)，而在此之前還必須定制LPM_ROM初始化數(shù)據(jù)文件，如圖6所示。

2．3．2 ROM存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)
    mif文件建好以后就可以進(jìn)入ROM存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。
    設(shè)計(jì)好的rom3模塊如圖7所示。

2．3．3 定制模塊
    調(diào)用LPM庫中的模塊，定制BUSMUX(參數(shù)化多路數(shù)據(jù)選擇器)元件和lpm_compare0元件。
    如圖8所示，數(shù)據(jù)選擇器通過模式選擇信號(hào)，再根據(jù)不同的模式功能選擇該功能模塊的信號(hào)輸出。該模塊的輸入信號(hào)有模式選擇信號(hào)sel[0]，即非細(xì)分控制和模式選擇信號(hào)sel[1]，即細(xì)分控制。當(dāng)sel為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的為非細(xì)分控制輸出，即由DEC2輸出，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)按照雙四拍模式運(yùn)行；當(dāng)sel為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的為細(xì)分控制輸出，即由比較器CMP3輸出，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)按照細(xì)分8拍模式運(yùn)行。
    調(diào)用LPM庫中的模塊，定制一個(gè)lpm_compare0元件，然后在lpm_compare0的輸入／輸出端接入輸入／輸出信號(hào)，并將這些模塊包裝為一個(gè)symbol，以備總模塊調(diào)用，如圖9所示。

2．3．4 各模塊集成
    各功能模塊設(shè)計(jì)完成后，用原理圖的輸入法生成總的功能模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，最后生成的頂層電路圖如圖10所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試
3．1 步進(jìn)電機(jī)總模塊時(shí)序仿真調(diào)試及分析
    總模塊在QuartusⅡ6．1軟件環(huán)境下編譯通過，再進(jìn)行總體仿真。
    圖11中各信號(hào)的定義為u_d為步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制；clock0為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制；clock5為PWM計(jì)數(shù)時(shí)鐘；s=1為細(xì)分；s=0為非細(xì)分。Y[3．．0]分別對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的4個(gè)相，即DP，CP，BP，AP；s為選擇細(xì)分控制。

    圖11給出了步進(jìn)電機(jī)無細(xì)分仿真波形圖。圖12給出了步進(jìn)電機(jī)從A相(1000即8)→AB相(1100即12)→B相(0100即4)→BC相(0110即6)→相C(0010即2)→CD相(0010即3)→D相(0001即1)→DA相(1001即9)→…的工作過程仿真波形。通過圖12可以清楚地看到，首先步進(jìn)電機(jī)A相導(dǎo)通，B，C，D相截止；然后B項(xiàng)的數(shù)據(jù)逐漸增大，從1增大到4，電機(jī)中的磁場(chǎng)經(jīng)過4拍從A相轉(zhuǎn)到了AB相，再經(jīng)過4拍，A相的數(shù)據(jù)逐漸減小，電機(jī)中的磁場(chǎng)從AB相轉(zhuǎn)到B相。從A到AB再到B共經(jīng)過了8拍，實(shí)現(xiàn)了步距角的8細(xì)分。圖13給出了步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)8細(xì)分仿真波形圖。
    步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。2個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。從圖14可以看出，當(dāng)改變輸入脈沖clock0的周期時(shí)，A，B，C，D四相繞組的高低電平寬度將發(fā)生變化，它將導(dǎo)致通電和斷電的變化速率發(fā)生變化，隨之使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。所以調(diào)節(jié)輸入脈沖的周期就可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。

    由圖14與圖15的對(duì)比可知，通過減少clock0周期，步進(jìn)電機(jī)控制器的運(yùn)行速度明顯加快。通過以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)的仿真分析可知，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各種基本控制。

3．2 下栽到實(shí)際FPGA器件上進(jìn)行工程調(diào)試
    各模塊經(jīng)過編譯優(yōu)化后，就要選擇合適的目標(biāo)芯片進(jìn)行綜合、管腳配置。該系統(tǒng)選用Altera公司的高性價(jià)比Cyclone系列FPGA芯片，型號(hào)為EP1C6Q240C8，芯片在32 678 Hz下工作，將實(shí)驗(yàn)板GW48-PK3的JTAG PORT接口和下載接口USBBlaster用數(shù)據(jù)線連接，最后打開板子的電源。
    在該硬件環(huán)境中，通過鍵7可以控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，鍵8可以選擇步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分／非細(xì)分功能，這證明該設(shè)計(jì)完成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)要求，最終取得了令人滿意的結(jié)果。

4 結(jié)語
    該系統(tǒng)以FPGA為核心部件，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，利用EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制。采用VHDL語言并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的不同，改變模塊程序的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)控制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件簡(jiǎn)單，并充分發(fā)揮VHDL語言軟件編程靈活方便和FPGA快速的特點(diǎn)來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和成本。