基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

    步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特殊電機(jī)，每改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一步。目前大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)控制器需要主控制器發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，并且要至少一個(gè)I／O口來(lái)輔助控制和監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況。在單片機(jī)或DSP的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常配合CPLD或者FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。本文介紹通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制器。該控制器可以作為單片機(jī)或DSP的一個(gè)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(xiě)入數(shù)據(jù)，即町實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理
    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。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)“VR”)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)“PM”)和混合式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)“HB”)。
    步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。
    步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由各類(lèi)控制器來(lái)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(guò)程稱(chēng)為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-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(jī)的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序換相通電，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
    ②控制步進(jìn)電機(jī)的速度。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。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(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。

2 控制器的總體設(shè)計(jì)
    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(jī)組成。

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

   

    X未用位。
    Ini對(duì)控制器初始化為1時(shí)有效。當(dāng)該位為1時(shí)，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(dòng)置O。
    Newr當(dāng)對(duì)正在運(yùn)行的控制器寫(xiě)入新的分頻系數(shù)時(shí)，對(duì)該位置1；當(dāng)下一個(gè)分頻器輸出的clkout時(shí)鐘來(lái)到時(shí)，將fdiv_back寫(xiě)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，用來(lái)控制相位輸出狀態(tài)機(jī)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(gè)16位寄存器，接收f(shuō)div_back的值，對(duì)系統(tǒng)的分頻為2～65536。對(duì)于12MHz的輸入頻率，分頻后頻率為6MHz～183Hz，(本設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距、加速度由使用者根據(jù)實(shí)際情況自己計(jì)算)分頻后每個(gè)clkout走一個(gè)步距角。對(duì)于步距角為1．8°的電機(jī)，可以滿(mǎn)足各種速度的要求。

3 分頻器的設(shè)計(jì)
    分頻器是該控制器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，在這里作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，data[15～0]為分頻系數(shù)。系統(tǒng)時(shí)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(jī)的時(shí)鐘，每個(gè)Clkout到來(lái)時(shí)，產(chǎn)生一次相位轉(zhuǎn)換，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一個(gè)步距角。分頻器的程序如下：

    圖3所示為3分頻時(shí)單四拍的輸出仿真圖。

結(jié)語(yǔ)
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)為將該步進(jìn)電機(jī)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(jī)等)的內(nèi)存空間，控制時(shí)僅需對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)操作，使步進(jìn)電機(jī)的控制變得簡(jiǎn)單方便；而且，可節(jié)省主控制器(DSP或單片機(jī)等)的外圍資源，減少板上負(fù)載。系統(tǒng)中可以加入電機(jī)運(yùn)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(gè)更智能的步進(jìn)電機(jī)控制器。