基于FPGA的步进电机控制器设计

只看该作者 · 2013-1-3 22:42

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特殊电机，每改变一次通电状态，步进电机的转子就转动一步。目前大多数步进电机控制器需要主控制器发送时钟信号，并且要至少一个I／O口来辅助控制和监控步进电机的运行情况。在单片机或DSP的应用系统中，经常配合CPLD或者FPGA来实现特定的功能。本文介绍通过FPGA实现的步进电机控制器。该控制器可以作为单片机或DSP的一个直接数字控制的外设，只需向控制器的控制寄存器和分频寄存器写入数据，即町实现对步进电机的控制。

1 步进电机的控制原理

　　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。步进电机可分为反应式步进电机(简称“VR”)、永磁式步进电机(简称“PM”)和混合式步进电机(简称“HB”)。

　　步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

　　步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由各类控制器来产生。其基本原理作用如下：
　　①控制换相顺序，通电换相。这一过程称为“脉冲分配”。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断，控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转；如果按反序换相通电，则电机就反转。

　　②控制步进电机的速度。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

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　2 控制器的总体设计

　　控制器的外部接口电路如图1所示。各引脚的功能如下：

　　控制器的内部原理框图如图2所示，由命令字寄存器(Cmd_reg)、分频系数备份寄存器(fdiv_back)、分频器、相位输出状态机组成。

　　其中命令字寄存器Cmd_reg组成如下(对应的地址为“00”)：

　　X未用位。

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　Ini对控制器初始化为1时有效。当该位为1时，备份寄存器的数据直接装入分频器的寄存器reg_data[15～0]，装入后由硬件自动置O。

　　Newr当对正在运行的控制器写入新的分频系数时，对该位置1；当下一个分频器输出的clkout时钟来到时，将fdiv_back写入到reg_data[15～0]中，分频器便按新的分频系数进行分频。

　　Manner[1～0] 电动机的驱动方式，用来控制相位输出状态机的输出，“00”表示单四拍方式，四相位输出为(A-B-C-D)；“Ol”表示双四拍，四相位输出为(ABBC-CD-DA)，八拍(A-AB-B-BC-C-CD-DDA)。

　　分频系数备份寄存器(fdiv_back) 两字节寄存器，reg_data[15～0]为分频器的一个16位寄存器，接收fdiv_back的值，对系统的分频为2～65536。对于12MHz的输入频率，分频后频率为6MHz～183Hz，(本设计中，步进电机的启动转速、转距、加速度由使用者根据实际情况自己计算)分频后每个clkout走一个步距角。对于步距角为1．8°的电机，可以满足各种速度的要求。