步進電機控制器的FPGA實現(xiàn)

O 引 言
    隨著步進電機廣泛地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中作為伺服元件，步進電機在實時性和靈活性等性能上的要求越來越高。那么如何靈活、有效地控制步進電機的運轉成為研究的主要方向。這里采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，通過VHDL語言編程來實現(xiàn)四相步進電機的控制。利用FPGA設計具有以下優(yōu)點：
    硬件設計軟件化 FPGA的開發(fā)在功能層面上可以脫離硬件在EDA軟件上做軟仿真。當功能確定無誤后可以進行硬件電路板的設計。最后將設計好的，由EDA軟件生成的燒寫文件下載到配置設備中去，進行在線調試，如果這時的結果與要求不一致，可以立即更改設計軟件，并再次燒寫到配置芯片中而不必改動外接硬件電路。進行分層模塊設汁后系統(tǒng)設計變得更加簡單，在實時性和靈活性等性能上都有很大的提高，有利于步進電機的運動控制。
    高度集成化，高工作頻率 一般的FPGA內(nèi)部都集成有上百萬的邏輯門，可以在其內(nèi)部規(guī)劃出多個與傳統(tǒng)小規(guī)模集成器件功能相當?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鐘，進一步解決了電磁干擾和電磁兼容問題。

1 步進電機的工作原理
    步進電動機是一種自動化執(zhí)行部件，和數(shù)字系統(tǒng)結合可把脈沖數(shù)轉換成角位移，實現(xiàn)其正轉、反轉、手動和自動控制。四相步進電機有兩組線圈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種磁場方向，分別是O°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。表1給出了四相步進電機的8個方向和電流以及電壓信號的關系。
    四相電動機有3種激磁方式：
    一相激磁法：當目標角度是90°的整數(shù)倍時，采用這種方法。
    二相激磁法：當目標角度是45°，135°，225°，315°的整數(shù)倍時，采用這種方法。
    一、二相激磁法：即完全按照表1所列的信號順序。

2 步進電機定位控制器的整體設計
    步進電機定位控制器的系統(tǒng)主要由步進電機方向設定電路模塊、步進電機步進移動與定位控制模塊以及編碼輸出模塊構成。前兩個模塊完成電機旋轉方向設定、激磁方式和定位角度的換算等工作，后一模塊用于對換算后的角度量編碼輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。[!--empirenews.page--]

2．1 步進電機定位控制器整體架構的VHDL語言設計及仿真
    (1)根據(jù)步進電機定位控制器的系統(tǒng)組成框圖可以定義輸入和輸出端口：

(3)步進電機定位控制器頂層電路的VHDL程序代碼：
    在下面的程序中只考慮逆時針操作模式即(dir=0)。

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2．2 步進電機方向電路模塊設計
    該模塊的功能是設定步進電機的旋轉方向(順／逆時針轉動)，并設定電動機在順／逆時針時所需的初值與累加／減值。給出逆時針操作模式的技術規(guī)則和仿真輸出(ini=0賦初值，ini=1時開始計數(shù))。
    如果manner=00，這時進行自動判斷，若angle步進角為偶數(shù)(角度設定可以被90整除)電路使用一相激磁法，則count的初始值為000(cntini<=0)，每次加2；否則電路使用二相激磁法，count的初始值為111(cntini<=111)，每次加2；angleDnCntDec每次減2。得到的仿真結果如圖2所示。

表2是模塊按不同勵磁方式輸出時各個初值以及累加／減值的設定真值表。
2．3 步進電機移動與定位控制模塊設計
    該模塊的主要功能是利用賦初值ini將數(shù)值傳到該模塊中并配合輸入的clk作為同步控制信號，進行步進電機的步進移動與定位控制。步進電機定位功能通過一個減法器實現(xiàn)：在每個clk脈沖上升沿，設定步進角倍數(shù)，angleDnCount減去不同激磁方式下設定的累加器計數(shù)值angleDnCntDec，判斷差值小于設定的累減計數(shù)時，步進電機旋轉到預定角度停止輸出驅動端口信號，來實現(xiàn)定位功能。
2．4 編碼輸出模塊[!--empirenews.page--]
    該模塊的主要功能是將count與angleDnCount產(chǎn)生的數(shù)值經(jīng)過編碼，再通過baBA輸出到步進電機，來對電機進行控制。模塊仿真圖見圖2。
    假設resel=1，則將count和angleDnCount設置成0。
    假設reset=O，clk為上升沿觸發(fā)且ini=0時，就將設定的初值(cntini與angle)賦給count和angleDn—Count兩個信號端，也就是(count<=O+cntini)與(an—gleDnCount<=angle)。
    假設reset=O，clk為上升沿觸發(fā)且ini=1時，則將count與cntini相加，再將結果存為count。然后判斷angleDnCount的值是否大于angleDnCntDec。如果大于，則用angleDnCount減angleDnCntDec，將結果存為angleDnCount；否則，將angleDnCount設為0(因為此時angleDnCount的值小于angleDnCntDec，表示電機已經(jīng)到達設定位置，故不需要繼續(xù)轉動了)。BaBA[3．．O]是將count與angleDnCount產(chǎn)生的數(shù)值經(jīng)過編碼后輸出到四相步進電機的端口的。

3 QuartusⅡ仿真結果
    上述程序在ALTERA公司免費提供的QuartusⅡ環(huán)境下編譯通過，適配的FPGA器件為FLEXlOKlO。最后得到的系統(tǒng)仿真圖及生成的系統(tǒng)模塊符號圖分別如圖3，圖4所示。

 reset是系統(tǒng)內(nèi)部自復位信號；dir是步進電機正反轉的方向控制；clk是由外部提供的時鐘信號；ini是賦初值的使能開關；manner[1．．O]是激磁方式的選擇開關(00：自動檢測角度輸入，決定激磁方式；01：一相激磁；10：二相激磁；11：一、二相激磁)；angle[7．．0]是步進角的倍數(shù)設定數(shù)如引腳；baBA[3．．0]是系統(tǒng)輸出信號引腳，是內(nèi)部計數(shù)器的count[3．．O]數(shù)值編碼的結果。

4 結 語
    步進電機作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，具有結構簡單，運行可靠，控制方便，控制性能好等優(yōu)點，但現(xiàn)實中步進電機的控制比較復雜。
    這里設計的步進電機控制器方法簡單，支持四相步進電機的三種勵磁方式、正反轉運行，這種基于FPGA的設計方法，可以加速同類型產(chǎn)品的開發(fā)速度，節(jié)約投資。并且可以根據(jù)步進電機的不同，改變分層模塊的VHDL程序的參數(shù)，實現(xiàn)不同型號步進電機的控制，在實際應用中有利于步進電機的廣泛應用。