摘要：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，已廣泛應用于各種自動化控制系統(tǒng)中。為了提高對步進電機的細分要求，提出了基于FPGA控制的步進電機控制器方案。給出了用VHDL語言層次化設(shè)計各功能模塊的過程，利用QuartusⅡ進行仿真，給出了仿真結(jié)果，并成功地在FPGA器件上驗證了設(shè)計的可能性。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現(xiàn)各種控制。該設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠，可根據(jù)實踐需要靈活方便進行配置。
關(guān)鍵詞：步進電機；FGPA；控制器；QuartusⅡ

    步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。由于工業(yè)技術(shù)的不斷進步，諸如自動化控制、精密機械加工、航空航天技術(shù)，以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準等的高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ竭M電機的細分要求越來越高。實踐證明。步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。采用FPGA控制步進電機，利用其中的EAB可以構(gòu)成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表，利用FPGA設(shè)計的數(shù)字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，并對多相步進電機進行靈活控制。當改變控制波形表的數(shù)據(jù)，增加計數(shù)器的位數(shù)，提高計數(shù)精度后，就可以對
步進電機的步進轉(zhuǎn)角進行任意細分，從而實現(xiàn)步進轉(zhuǎn)角的精確控制。

1 步進電機細分驅(qū)動控制器工作原理
    圖1是步進電機細分驅(qū)動控制器系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由PWM計數(shù)器，波形ROM地址計數(shù)器，PWM波形ROM存儲器、比較器、功放電路等緝成。其中，PWM計數(shù)器在脈寬時鐘的作用下遞增計數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數(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PWM計數(shù)器的計數(shù)值小于波形ROM輸出的數(shù)值時，比較器輸出低電平，當PWM計數(shù)器的計數(shù)值大于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據(jù)步進電機8細分電流波形的要求，將各個時刻的細分電流波形所對應的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數(shù)器產(chǎn)生。通過對地址計數(shù)器進行控制，可以改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動速度、工作／停止狀態(tài)。FPGA產(chǎn)生的PWM信號控制各功率管驅(qū)動電路的導通和關(guān)斷，其中PWM信號隨ROM數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號的占空比，即可實現(xiàn)限流及細分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)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)，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分。

2 步進電機細分驅(qū)動控制器的FPGA實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)功能設(shè)計
    運用自上而下(top-down)的設(shè)計思路，將系統(tǒng)按功能逐層分割實現(xiàn)層次化設(shè)計。根據(jù)步進電機細分控制框圖，將該系統(tǒng)分為PWM計數(shù)器(CNT8)、地址計數(shù)器(CNT24)、DEC2、PWM波形ROM、數(shù)字比較器(CMP3)、數(shù)據(jù)選擇器(BUSMUX)6個功能模塊，前3個模塊用VHDL語言編程描述各模塊的接口及電路功能；后3個模塊可選擇LPM庫中的適當模塊，并為其設(shè)定適當?shù)膮?shù)，以滿足自己的需要。因而可在自己的項目中十分方便地調(diào)用優(yōu)秀電子工程技術(shù)人員的硬件設(shè)計成果。
    CNT8是PWM計數(shù)器，在時鐘脈沖作用下遞增計數(shù)，以產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到四相步進電機各相數(shù)字比較器的一端。圖2為它的仿真波形。

    CNT24是可逆計數(shù)器，其U-D端即加減控制端作為控制電機正反轉(zhuǎn)的方向控制端。高電平時計數(shù)器加計數(shù)，電動機正轉(zhuǎn)；低電平時計數(shù)器減計數(shù)，電動機反轉(zhuǎn)。計數(shù)器的模應該等于電動機運行1個周期的拍數(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為無細分時的電機控制模塊，控制雙四拍時的正反轉(zhuǎn)。
    步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變轉(zhuǎn)向，當四相雙四拍步進電機的通電順為AB→BC→CD→DA→AB…時，電機正轉(zhuǎn)；當其繞組按AD→DC→CB→BA→AD…的順序通電時，電機反轉(zhuǎn)。因此，利用case語句編程來改變輸出脈沖的順序，以此改變步進電機繞組的通電順序。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)計好的VHDL語言文件生成工程模塊。首先打開CNT8．vhd文件，點擊菜單中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symbol，以備總模塊調(diào)用，如圖5所示。
2．3 原理圖輸入設(shè)計
2．3．1 PWM_1.mif文件的設(shè)計
    在設(shè)計控制器前，必須首先完成存放PWM波形的ROM存儲器設(shè)計，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存儲器的設(shè)計
    mif文件建好以后就可以進入ROM存儲器的設(shè)計。
    設(shè)計好的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，再根據(jù)不同的模式功能選擇該功能模塊的信號輸出。該模塊的輸入信號有模式選擇信號sel[0]，即非細分控制和模式選擇信號sel[1]，即細分控制。當sel為“0”時，對應的為非細分控制輸出，即由DEC2輸出，此時步進電機按照雙四拍模式運行；當sel為“1”時，對應的為細分控制輸出，即由比較器CMP3輸出，此時步進電機按照細分8拍模式運行。
    調(diào)用LPM庫中的模塊，定制一個lpm_compare0元件，然后在lpm_compare0的輸入／輸出端接入輸入／輸出信號，并將這些模塊包裝為一個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)計完成后，用原理圖的輸入法生成總的功能模塊，實現(xiàn)設(shè)計功能，最后生成的頂層電路圖如圖10所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試
3．1 步進電機總模塊時序仿真調(diào)試及分析
    總模塊在QuartusⅡ6．1軟件環(huán)境下編譯通過，再進行總體仿真。
    圖11中各信號的定義為u_d為步進電機正、反轉(zhuǎn)控制；clock0為步進電機轉(zhuǎn)動速度控制；clock5為PWM計數(shù)時鐘；s=1為細分；s=0為非細分。Y[3．．0]分別對應步進電機的4個相，即DP，CP，BP，AP；s為選擇細分控制。

    圖11給出了步進電機無細分仿真波形圖。圖12給出了步進電機從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，首先步進電機A相導通，B，C，D相截止；然后B項的數(shù)據(jù)逐漸增大，從1增大到4，電機中的磁場經(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，電機中的磁場從AB相轉(zhuǎn)到B相。從A到AB再到B共經(jīng)過了8拍，實現(xiàn)了步距角的8細分。圖13給出了步進電機反轉(zhuǎn)8細分仿真波形圖。
    步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。2個脈沖的間隔越短，步進電機轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。從圖14可以看出，當改變輸入脈沖clock0的周期時，A，B，C，D四相繞組的高低電平寬度將發(fā)生變化，它將導致通電和斷電的變化速率發(fā)生變化，隨之使電機轉(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電機的運動速度。

    由圖14與圖15的對比可知，通過減少clock0周期，步進電機控制器的運行速度明顯加快。通過以上對步進電機的仿真分析可知，該設(shè)計實現(xiàn)了對步進電機的各種基本控制。

3．2 下栽到實際FPGA器件上進行工程調(diào)試
    各模塊經(jīng)過編譯優(yōu)化后，就要選擇合適的目標芯片進行綜合、管腳配置。該系統(tǒng)選用Altera公司的高性價比Cyclone系列FPGA芯片，型號為EP1C6Q240C8，芯片在32 678 Hz下工作，將實驗板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可以控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)，鍵8可以選擇步進電機的細分／非細分功能，這證明該設(shè)計完成了步進電機細分驅(qū)動控制器的設(shè)計要求，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)步進電機的工作原理，利用EDA技術(shù)實現(xiàn)了步進電機的細分驅(qū)動控制。采用VHDL語言并根據(jù)步進電機的不同，改變模塊程序的參數(shù)，實現(xiàn)不同型號的步進電機控制。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，力求硬件簡單，并充分發(fā)揮VHDL語言軟件編程靈活方便和FPGA快速的特點來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，同時大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間和成本。