基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、基于fpga的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特別電機(jī),每轉(zhuǎn)變一次通電狀態(tài),步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一步。目前大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)控制器需要主控制器發(fā)送時(shí)鐘信號(hào),并且要起碼一個(gè)io口來(lái)輔助控制和監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況。在或的應(yīng)用系統(tǒng)中,常常協(xié)作或者來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。本文介紹通過(guò)fpga實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制器。該控制器可以作為單片機(jī)或dsp的一個(gè)挺直數(shù)字控制的外設(shè),只需向控制器的控制寄存器和分頻寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī),它將脈沖信號(hào)改變成角位移,即給一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,因此十分適合對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的控制。步進(jìn)電

2、機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱“vr”)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱“pm”)和混合式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱“hb”)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)分于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是,通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)舉行控制,即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)打算,而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率打算。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)按照控制信號(hào)工作,控制信號(hào)由各類控制器來(lái)產(chǎn)生。其基本原理作用如下： 控制換相挨次,通電換相。這一過(guò)程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式,其各相通電挨次為abcd。通電控制脈沖必需嚴(yán)格根據(jù)這一挨次分離控制a、b、c、d相的通斷,控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。假如給定工作方式正序換相通電,則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);假如按反序換相通電,則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

3、控制步進(jìn)電機(jī)的速度。假如給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個(gè)脈沖,它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)節(jié)控制器發(fā)出的脈沖頻率,就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)舉行調(diào)速。2 控制器的總體設(shè)計(jì)控制器的外部接口電路1所示。各引腳的功能如下：data70 控制器與單片機(jī)等設(shè)備的接口;cs片選信號(hào),低電平有效;wr寫(xiě)信號(hào),低電平有效;reset復(fù)位信號(hào),低電平有效;adr10 內(nèi)部寄存器地址信號(hào),與單片機(jī)等設(shè)備地址線相連;clk待分頻的時(shí)鐘,可由fpga提供;abcd30 四相位輸出?？刂破鞯膬?nèi)部原理框圖2所示,由指令字寄存器(cmd_reg)、分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back)、分

4、頻器、相位輸出狀態(tài)機(jī)組成。其中指令字寄存器(cmd_reg組成如下(對(duì)應(yīng)的地址為“00”)：x未用位。ini 對(duì)控制器初始化為1時(shí)有效。當(dāng)該位為1時(shí),備份寄存器的數(shù)據(jù)挺直裝入分頻器的寄存器reg_data150,裝入后由硬件自動(dòng)置0。new 當(dāng)對(duì)正在運(yùn)行的控制器寫(xiě)入新的分頻系數(shù)時(shí),對(duì)該位置1;當(dāng)下一個(gè)分頻器輸出的clkout時(shí)鐘來(lái)到時(shí),將fdiv_back寫(xiě)入到reg_data150中,分頻器便按新的分頻系數(shù)舉行分頻。manner10 的驅(qū)動(dòng)方式,用來(lái)控制相位輸出狀態(tài)機(jī)的輸出,“00”表示單四拍方式,四相位輸出為(abcd);“01”表示雙四拍,四相位輸出為(abbccdda),八拍(aabb

5、bcccddda)。分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back) 兩字節(jié)寄存器,reg_data150為分頻器的一個(gè)16位寄存器,接收f(shuō)div_back的值,對(duì)系統(tǒng)的分頻為265 536。對(duì)于12 mhz的輸入頻率,分頻后頻率為6 mhz183 hz,(本設(shè)計(jì)中,步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距、加速度由用法者按照實(shí)際狀況自己計(jì)算)分頻后每個(gè)clkout走一個(gè)步距角。對(duì)于步距角為1.8°的電機(jī),可以滿足各種速度的要求。3 分頻器的設(shè)計(jì)分頻器是該控制器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,在這里作為一個(gè)自立的模塊,data150為分頻系數(shù)。系統(tǒng)時(shí)鐘clk被分頻系數(shù)寄存器中值分頻后,輸出clkout作為相位輸出狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘,每個(gè)clkout到來(lái)時(shí),產(chǎn)生一次相位轉(zhuǎn)換,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一個(gè)步距角。分頻器的程序如下：圖3所示為3分頻時(shí)單四拍的輸出圖。結(jié) 語(yǔ)本文的創(chuàng)新點(diǎn)為將該步進(jìn)電機(jī)控制器的控制字和分頻系數(shù)映射在主控制器(dsp或單片機(jī)等)的內(nèi)存空間,控制時(shí)僅需對(duì)其舉行寫(xiě)操作,使步進(jìn)電機(jī)的控制變得容易便利;而且,可節(jié)約主控制器(d