基于FPGA的步进电机控制器研究和实现

摘要：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，已广泛应用于各种自动化控制系统中。为了提高对步进电机的细分要求，提出了基于FPGA控制的步进电机控制器方案。给出了用VHDL语言层次化设计各功能模块的过程，利用QuartusⅡ进行仿真，给出了仿真结果，并成功地在FPGA器件上验证了设计的可能性。采用FPGA器件和VHDL语言，只需修改模块程序参数，而无须修改硬件电路就能实现各种控制。该设计硬件结构简单可靠，可根据实践需要灵活方便进行配置。关键词：步进电机；FGPA；控制器；QuartusⅡ 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合对数字系统的控制。由于工业技术的不断进步，诸如自动化控制、精密机械加工、航空航天技术，以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等的高新技术领域对步进电机的细分要求越来越高。实践证明。步进电机的细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。采用FPGA控制步进电机，利用其中的EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表，利用FPGA设计的数字比较器可以同步产生多路PWM电流波形，并对多相步进电机进行灵活控制。当改变控制波形表的数据，增加计数器的位数，提高计数精度后，就可以对步进电机的步进转角进行任意细分，从而实现步进转角的精确控制。1 步进电机细分驱动控制器工作原理 图1是步进电机细分驱动控制器系统框图。该系统由PWM计数器，波形ROM地址计数器，PWM波形ROM存储器、比较器、功放电路等缉成。其中，PWM计数器在脉宽时钟的作用下递增计数，产生阶梯形上升的周期性锯齿波，同时加载到各数字比较器的一端；PWM波形ROM输出的数据A[3．．0]，B[3．．0]，C[3．．0]，D[3．．0]分别加载到各数字比较器的另一端。当PWM计数器的计数值小于波形ROM输出的数值时，比较器输出低电平，当PWM计数器的计数值大于波形ROM输出数值时，比较器输出高电平。由此可输出周期性的PWM波形。根据步进电机8细分电流波形的要求，将各个时刻的细分电流波形所对应的数值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址计数器产生。通过对地址计数器进行控制，可以改变步进电机的旋转方向、转动速度、工作／停止状态。FPGA产生的PWM信号控制各功率管驱动电路的导通和关断，其中PWM信号随ROM数据而变化，改变输出信号的占空比，即可实现限流及细分控制，最终使电机绕组呈现阶梯形变化，从而实现步距细分的目的。输出细分电流信号采用FPGA中LPM_ROM查表法，它是通过在不同地址单元内写入不同的PWM数据，用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分。

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2 步进电机细分驱动控制器的FPGA实现2．1 系统功能设计 运用自上而下(top-down)的设计思路，将系统按功能逐层分割实现层次化设计。根据步进电机细分控制框图，将该系统分为PWM计数器(CNT8)、地址计数器(CNT24)、DEC2、PWM波形ROM、数字比较器(CMP3)、数据选择器(BUSMUX)6个功能模块，前3个模块用VHDL语言编程描述各模块的接口及电路功能；后3个模块可选择LPM库中的适当模块，并为其设定适当的参数，以满足自己的需要。因而可在自己的项目中十分方便地调用优秀电子工程技术人员的硬件设计成果。 CNT8是PWM计数器，在时钟脉冲作用下递增计数，以产生阶梯形上升的周期性锯齿波，同时加载到四相步进电机各相数字比较器的一端。图2为它的仿真波形。

CNT24是可逆计数器，其U-D端即加减控制端作为控制电机正反转的方向控制端。高电平时计数器加计数，电动机正转；低电平时计数器减计数，电动机反转。计数器的模应该等于电动机运行1个周期的拍数或拍数的整数倍(该处模等于32)。仿真波形如图3所示。

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