摘要：步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，已廣泛應用于各種自動化控制系統中。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語言層次化設計各功能模塊的過程，利用QuartusⅡ進行仿真，給出了仿真結果，并成功地在FPGA器件上驗證了設計的可能性。采用FPGA器件和VHDL語言，只需修改模塊程序參數，而無須修改硬件電路就能實現各種控制。該設計硬件結構簡單可靠，可根據實踐需要靈活方便進行配置。
關鍵詞：步進電機；FGPA；控制器；QuartusⅡ
步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合對數字系統的控制。由于工業技術的不斷進步，諸如自動化控制、精密機械加工、航空航天技術，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領域對步進電機的細分要求越來越高。實踐證明。步進電機的細分驅動技術可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩性，增加控制的靈活性等。采用FPGA控制步進電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表，利用FPGA設計的數字比較器可以同步產生多路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據，增加計數器的位數，提高計數精度后，就可以對
步進電機的步進轉角進行任意細分，從而實現步進轉角的精確控制。
1 步進電機細分驅動控制器工作原理
圖1是步進電機細分驅動控制器系統框圖。該系統由PWM計數器，波形ROM地址計數器，PWM波形ROM存儲器、比較器、功放電路等緝成。其中，PWM計數器在脈寬時鐘的作用下遞增計數，產生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數據A[3．．0]，B[3．．0]，C[3．．0]，D[3．．0]分別加載到各數字比較器的另一端。當PWM計數器的計數值小于波形ROM輸出的數值時，比較器輸出低電平，當PWM計數器的計數值大于波形ROM輸出數值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據步進電機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值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數器產生。通過對地址計數器進行控制，可以改變步進電機的旋轉方向、轉動速度、工作／停止狀態。FPGA產生的PWM信號控制各功率管驅動電路的導通和關斷，其中PWM信號隨ROM數據而變化，改變輸出信號的占空比，即可實現限流及細分控制，最終使電機繞組呈現階梯形變化，從而實現步距細分的目的。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寫入不同的PWM數據，用地址選擇來實現不同通電方式下的可變步距細分。
2 步進電機細分驅動控制器的FPGA實現
2．1 系統功能設計
運用自上而下(top-down)的設計思路，將系統按功能逐層分割實現層次化設計。根據步進電機細分控制框圖，將該系統分為PWM計數器(CNT8)、地址計數器(CNT24)、DEC2、PWM波形ROM、數字比較器(CMP3)、數據選擇器(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，并為其設定適當的參數，以滿足自己的需要。因而可在自己的項目中十分方便地調用優秀電子工程技術人員的硬件設計成果。
CNT8是PWM計數器，在時鐘脈沖作用下遞增計數，以產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字比較器的一端。圖2為它的仿真波形。
CNT24是可逆計數器，其U-D端即加減控制端作為控制電機正反轉的方向控制端。高電平時計數器加計數，電動機正轉；低電平時計數器減計數，電動機反轉。計數器的模應該等于電動機運行1個周期的拍數或拍數的整數倍(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。
步進電機的正、反轉控制可通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變轉向，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；當其繞組按AD→DC→CB→BA→AD…的順序通電時，電機反轉。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反轉時的仿真波形。
2．2 利用VHDL文件生成元器件
工程創建好以后，就可以用設計好的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，以備總模塊調用，如圖5所示。
2．3 原理圖輸入設計
2．3．1 PWM_1.mif文件的設計
在設計控制器前，必須首先完成存放PWM波形的ROM存儲器設計，而在此之前還必須定制LPM_ROM初始化數據文件，如圖6所示。
2．3．2 ROM存儲器的設計
mif文件建好以后就可以進入ROM存儲器的設計。
設計好的rom3模塊如圖7所示。
2．3．3 定制模塊
調用LPM庫中的模塊，定制BUSMUX(參數化多路數據選擇器)元件和lpm_compare0元件。
如圖8所示，數據選擇器通過模式選擇信號，再根據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，以備總模塊調用，如圖9所示。
2．3．4 各模塊集成
各功能模塊設計完成后，用原理圖的輸入法生成總的功能模塊，實現設計功能，最后生成的頂層電路圖如圖10所示。
3 系統調試
3．1 步進電機總模塊時序仿真調試及分析
總模塊在QuartusⅡ6．1軟件環境下編譯通過，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、反轉控制；clock0為步進電機轉動速度控制；clock5為PWM計數時鐘；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項的數據逐漸增大，從1增大到4，電機中的磁場經過4拍從A相轉到了AB相，再經過4拍，A相的數據逐漸減小，電機中的磁場從AB相轉到B相。從A到AB再到B共經過了8拍，實現了步距角的8細分。圖13給出了步進電機反轉8細分仿真波形圖。
步進電機的轉速取決于輸入的脈沖頻率。如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。2個脈沖的間隔越短，步進電機轉得越快。調整控制器發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。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生變化，它將導致通電和斷電的變化速率發生變化，隨之使電機轉速發生變化。所以調節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，該設計實現了對步進電機的各種基本控制。
3．2 下栽到實際FPGA器件上進行工程調試
各模塊經過編譯優化后，就要選擇合適的目標芯片進行綜合、管腳配置。該系統選用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用數據線連接，最后打開板子的電源。
在該硬件環境中，通過鍵7可以控制步進電機的正、反轉，鍵8可以選擇步進電機的細分／非細分功能，這證明該設計完成了步進電機細分驅動控制器的設計要求，最終取得了令人滿意的結果。
4 結語
該系統以FPGA為核心部件，根據步進電機的工作原理，利用EDA技術實現了步進電機的細分驅動控制。采用VHDL語言并根據步進電機的不同，改變模塊程序的參數，實現不同型號的步進電機控制。在系統設計過程中，力求硬件簡單，并充分發揮VHDL語言軟件編程靈活方便和FPGA快速的特點來滿足系統設計要求，同時大大縮短系統的開發時間和成本。