基于FPGA的步進(jìn)電機控制器設計

　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移的特殊電機，每改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電機的轉子就轉動(dòng)一步。目前大多數步進(jìn)電機控制器需要主控制器發(fā)送時(shí)鐘信號，并且要至少一個(gè)I/O口來(lái)輔助控制和監控步進(jìn)電機的運行情況。在單片機或DSP的應用系統中，經(jīng)常配合CPLD或者FPGA來(lái)實(shí)現特定的功能。本文介紹通過(guò)FPGA實(shí)現的步進(jìn)電機控制器。該控制器可以作為單片機或DSP的一個(gè)直接數字控制的外設，只需向控制器的控制寄存器和分頻寄存器寫(xiě)入數據，即町實(shí)現對步進(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。步進(jìn)電機可分為反應式步進(jìn)電機(簡(jiǎn)稱(chēng)“VR”)、永磁式步進(jìn)電機(簡(jiǎn)稱(chēng)“PM”)和混合式步進(jìn)電機(簡(jiǎn)稱(chēng)“HB”)。

　　步進(jìn)電機區別于其他控制電機的最大特點(diǎn)是，通過(guò)輸入脈沖信號來(lái)進(jìn)行控制，即電機的總轉動(dòng)角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。

　　步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路根據控制信號工作，控制信號由各類(lèi)控制器來(lái)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

　?、倏刂茡Q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)電機的轉向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機正轉;如果按反序換相通電，則電機就反轉。

　?、诳刂撇竭M(jìn)電機的速度。如果給步進(jìn)電機發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì )再轉一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉得越快。調整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調速。

　　2 控制器的總體設計

　　控制器的外部接口電路如圖1所示。各引腳的功能如下：

　　控制器的內部原理框圖如圖2所示，由命令字寄存器(Cmd_reg)、分頻系數備份寄存器(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(對應的地址為“00”)：

　　X未用位。

　　Ini對控制器初始化為1時(shí)有效。當該位為1時(shí)，備份寄存器的數據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當對正在運行的控制器寫(xiě)入新的分頻系數時(shí)，對該位置1;當下一個(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進(jìn)行分頻。

　　Manner[1～0] 電動(dòng)機的驅動(dòng)方式，用來(lái)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)。

　　分頻系數備份寄存器(fdiv_back) 兩字節寄存器，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，對系統的分頻為2～65536。對于12MHz的輸入頻率，分頻后頻率為6MHz～183Hz，(本設計中，步進(jìn)電機的啟動(dòng)轉速、轉距、加速度由使用者根據實(shí)際情況自己計算)分頻后每個(gè)clkout走一個(gè)步距角。對于步距角為1.8°的電機，可以滿(mǎn)足各種速度的要求。

　　3 分頻器的設計

　　分頻器是該控制器實(shí)現的關(guān)鍵，在這里作為一個(gè)獨立的模塊，dATA[15～0]為分頻系數。系統時(shí)鐘Clk被分頻系數寄存器中值分頻后，輸出Clkout作為相位輸出狀態(tài)機的時(shí)鐘，每個(gè)Clkout到來(lái)時(shí)，產(chǎn)生一次相位轉換，步進(jìn)電機運行一個(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。

　　結語(yǔ)

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)為將該步進(jìn)電機控制器的控制字和分頻系數映射在主控制器(DSP或單片機等)的內存空間，控制時(shí)僅需對其進(jìn)行寫(xiě)操作，使步進(jìn)電機的控制變得簡(jiǎn)單方便;而且，可節省主控制器(DSP或單片機等)的外圍資源，減少板上負載。系統中可以加入電機運行總步數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)電機控制器。