基于FPGA的步進(jìn)電機控制器研究和實(shí)現

摘要：步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，已廣泛應用于各種自動(dòng)化控制系統中。為了提高對步進(jìn)電機的細分要求，提出了基于FPGA控制的步進(jìn)電機控制器方案。給出了用VHDL語(yǔ)言層次化設計各功能模塊的過(guò)程，利用QuartusⅡ進(jìn)行仿真，給出了仿真結果，并成功地在FPGA器件上驗證了設計的可能性。采用FPGA器件和VHDL語(yǔ)言，只需修改模塊程序參數，而無(wú)須修改硬件電路就能實(shí)現各種控制。該設計硬件結構簡(jiǎn)單可靠，可根據實(shí)踐需要靈活方便進(jìn)行配置。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機；FGPA；控制器；QuartusⅡ

步進(jìn)電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機就轉動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合對數字系統的控制。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)瞄準等的高新技術(shù)領(lǐng)域對步進(jìn)電機的細分要求越來(lái)越高。實(shí)踐證明。步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機的步距角，提高電機運行的平穩性，增加控制的靈活性等。采用FPGA控制步進(jìn)電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表，利用FPGA設計的數字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，并對多相步進(jìn)電機進(jìn)行靈活控制。當改變控制波形表的數據，增加計數器的位數，提高計數精度后，就可以對
步進(jìn)電機的步進(jìn)轉角進(jìn)行任意細分，從而實(shí)現步進(jìn)轉角的精確控制。

1 步進(jìn)電機細分驅動(dòng)控制器工作原理
圖1是步進(jìn)電機細分驅動(dòng)控制器系統框圖。該系統由PWM計數器，波形ROM地址計數器，PWM波形ROM存儲器、比較器、功放電路等緝成。其中，PWM計數器在脈寬時(shí)鐘的作用下遞增計數，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時(shí)加載到各數字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數據A[3．．0]，B[3．．0]，C[3．．0]，D[3．．0]分別加載到各數字比較器的另一端。當PWM計數器的計數值小于波形ROM輸出的數值時(shí)，比較器輸出低電平，當PWM計數器的計數值大于波形ROM輸出數值時(shí)，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據步進(jìn)電機8細分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻的細分電流波形所對應的數值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數器產(chǎn)生。通過(guò)對地址計數器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機的旋轉方向、轉動(dòng)速度、工作／停止狀態(tài)。FPGA產(chǎn)生的PWM信號控制各功率管驅動(dòng)電路的導通和關(guān)斷，其中PWM信號隨ROM數據而變化，改變輸出信號的占空比，即可實(shí)現限流及細分控制，最終使電機繞組呈現階梯形變化，從而實(shí)現步距細分的目的。輸出細分電流信號采用FPGA中LPM_ROM查表法，它是通過(guò)在不同地址單元內寫(xiě)入不同的PWM數據，用地址選擇來(lái)實(shí)現不同通電方式下的可變步距細分。

2 步進(jìn)電機細分驅動(dòng)控制器的FPGA實(shí)現
2．1 系統功能設計
運用自上而下(top-down)的設計思路，將系統按功能逐層分割實(shí)現層次化設計。根據步進(jìn)電機細分控制框圖，將該系統分為PWM計數器(CNT8)、地址計數器(CNT24)、DEC2、PWM波形ROM、數字比較器(CMP3)、數據選擇器(BUSMUX)6個(gè)功能模塊，前3個(gè)模塊用VHDL語(yǔ)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庫中的適當模塊，并為其設定適當的參數，以滿(mǎn)足自己的需要。因而可在自己的項目中十分方便地調用優(yōu)秀電子工程技術(shù)人員的硬件設計成果。
CNT8是PWM計數器，在時(shí)鐘脈沖作用下遞增計數，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)電機各相數字比較器的一端。圖2為它的仿真波形。

CNT24是可逆計數器，其U-D端即加減控制端作為控制電機正反轉的方向控制端。高電平時(shí)計數器加計數，電動(dòng)機正轉；低電平時(shí)計數器減計數，電動(dòng)機反轉。計數器的模應該等于電動(dòng)機運行1個(gè)周期的拍數或拍數的整數倍(該處模等于32)。仿真波形如圖3所示。