2022年步进电机控制器的FPGA实现 .pdf

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1、步进电机控制器的FPGA 实现时间：2009-04-22 13:30:44 来源：现代电子技术作者：武汉科技大学潘涛，程耕国O 引 言随着步进电机广泛地应用于数字控制系统中作为伺服元件，步进电机在实时性和灵活性等性能上的要求越来越高。那么如何灵活、有效地控制步进电机的运转成为研究的主要方向。这里采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，通过 VHDL语言编程来实现四相步进电机的控制。利用FPGA 设计具有以下优点：硬件设计软件化FPGA 的开发在功能层面上可以脱离硬件在EDA 软件上做软仿真。当功能确定无误后可以进行硬件电路板的设计。最后

2、将设计好的，由EDA 软件生成的烧写文件下载到配置设备中去，进行在线调试，如果这时的结果与要求不一致，可以立即更改设计软件，并再次烧写到配置芯片中而不必改动外接硬件电路。进行分层模块设汁后系统设计变得更加简单，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，有利于步进电机的运动控制。高度集成化，高工作频率一般的 FPGA 内部都集成有上百万的逻辑门，可以在其内部规划出多个与传统小规模集成器件功能相当的模块。另外，一般的FPGA 内部都有 PLL 倍频和分频电路模块，这样可以在外部采用较低频率的晶振而在内部获得较高频率的时钟，进一步解决了电磁干扰和电磁兼容问题。1 步进电机的工作原理步进电动机是一种自动

3、化执行部件，和数字系统结合可把脉冲数转换成角位移，实现其正转、反转、手动和自动控制。四相步进电机有两组线圈A 和 B。A，B 两组垂直摆放线圈的电流方向的排列组合，最多可以产生8 种磁场方向，分别是O ，45，90，135，180，225，270，315。表 1 给出了四相步进电机的8 个方向和电流以及电压信号的关系。四相电动机有3 种激磁方式：一相激磁法：当目标角度是90 的整数倍时，采用这种方法。二相激磁法：当目标角度是45，135，225，315 的整数倍时，采用这种方法。一、二相激磁法：即完全按照表1 所列的信号顺序。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页

4、 -2 步进电机定位控制器的整体设计步进电机定位控制器的系统主要由步进电机方向设定电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块以及编码输出模块构成。前两个模块完成电机旋转方向设定、激磁方式和定位角度的换算等工作，后一模块用于对换算后的角度量编码输出。系统框图如图1 所示。21 步进电机定位控制器整体架构的VHDL语言设计及仿真(1)根据步进电机定位控制器的系统组成框图可以定义输入和输出端口：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -(3)步进电机定位控制器顶层电路的VHDL 程序代码：在下面的程序中只考虑逆时针操作模式即(dir=0)。名师资料总结-精品资料欢迎下载-

5、名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -22 步进电机方向电路模块设计该模块的功能是设定步进电机的旋转方向(顺逆时针转动)，并设定电动机在顺逆时针时所需的初值与累加减值。给出逆时针操作模式的技术规则和仿真输出(ini=0赋初值，ini=1 时开始计数)。如果 manner=00，这时进行自动判断，若 angle 步进角为偶数(角度设定可以被90 整除)电路使用一相激磁法，则count 的初始值为000(cntini=0)，每次加2；否则电路使用二相激磁法，count 的初始值为 111(cntini=111)，每次加 2；angleDnCntDec每次减 2。得到的仿真结果如图2 所示。名师资

6、料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -表 2 是模块按不同励磁方式输出时各个初值以及累加减值的设定真值表。23 步进电机移动与定位控制模块设计该模块的主要功能是利用赋初值ini 将数值传到该模块中并配合输入的clk 作为同步控制信号，进行步进电机的步进移动与定位控制。步进电机定位功能通过一个减法器实现：在每个 clk 脉冲上升沿，设定步进角倍数，angleDnCount减去不同激磁方式下设定的累加器计数值 angleDnCntDec，判断差值小于设定的累减计数时，步进电机旋转到预定角度停止输出驱动端口信号，来实现定位功能。24 编码输出模块该模块的主要功能是将cou

7、nt 与 angleDnCount产生的数值经过编码，再通过baBA输出到步进电机，来对电机进行控制。模块仿真图见图2。假设 resel=1，则将 count 和 angleDnCount设置成 0。假设 reset=O，clk 为上升沿触发且ini=0时，就将设定的初值(cntini与 angle)赋给 count和 angleDn Count 两个信号端，也就是(count=O+cntini)与(angleDnCount=angle)。假设 reset=O，clk 为上升沿触发且ini=1 时，则将 count 与 cntini相加，再将结果存为count。然后判断angleDnCount

8、的值是否大于angleDnCntDec。如果大于，则用angleDnCount减 angleDnCntDec，将结果存为angleDnCount；否则，将angleDnCount设为 0(因为此时angleDnCount的值小于 angleDnCntDec，表示电机已经到达设定位置，故不需要继续转动了)。BaBA3 O是将 count 与 angleDnCount产生的数值经过编码后输出到四相步进电机的端口的。3 Quartus 仿真结果上述程序在ALTERA公司免费提供的Quartus 环境下编译通过，适配的FPGA 器件为FLEXlOKlO。最后得到的系统仿真图及生成的系统模块符号图分别如

9、图3，图 4 所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -reset 是系统内部自复位信号；dir 是步进电机正反转的方向控制；clk 是由外部提供的时钟信号；ini 是赋初值的使能开关；manner1 O 是激磁方式的选择开关(00：自动检测角度输入，决定激磁方式；01：一相激磁；10：二相激磁；11：一、二相激磁)；angle7 0是步进角的倍数设定数如引脚；baBA3 0 是系统输出信号引脚，是内部计数器的count3 O数值编码的结果。4 结 语步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单，运行可靠，控制方便，控制性能好等优点，但现实中步进电机的控制比较复杂。这里设计的步进电机控制器方法简单，支持四相步进电机的三种励磁方式、正反转运行，这种基于 FPGA 的设计方法，可以加速同类型产品的开发速度，节约投资。并且可以根据步进电机的不同，改变分层模块的VHDL 程序的参数，实现不同型号步进电机的控制，在实际应用中有利于步进电机的广泛应用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -