基于FPGA的步進電機控制器設(shè)計

1、基于fpga的步進電機控制器設(shè)計是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特別電機,每轉(zhuǎn)變一次通電狀態(tài),步進電機的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一步。目前大多數(shù)步進電機控制器需要主控制器發(fā)送時鐘信號,并且要起碼一個io口來輔助控制和監(jiān)控步進電機的運行狀況。在或的應(yīng)用系統(tǒng)中,常常協(xié)作或者來實現(xiàn)特定的功能。本文介紹通過fpga實現(xiàn)的步進電機控制器。該控制器可以作為單片機或dsp的一個挺直數(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入數(shù)據(jù),即可實現(xiàn)對步進電機的控制。1 步進電機的控制原理步進電機是數(shù)字控制電機,它將脈沖信號改變成角位移,即給一個脈沖信號,步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度,因此十分適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。步進電

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

3、控制步進電機的速度。假如給步進電機發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短,步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)節(jié)控制器發(fā)出的脈沖頻率,就可以對步進電機舉行調(diào)速。2 控制器的總體設(shè)計控制器的外部接口電路1所示。各引腳的功能如下：data70 控制器與單片機等設(shè)備的接口;cs片選信號,低電平有效;wr寫信號,低電平有效;reset復(fù)位信號,低電平有效;adr10 內(nèi)部寄存器地址信號,與單片機等設(shè)備地址線相連;clk待分頻的時鐘,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)機組成。其中指令字寄存器(cmd_reg組成如下(對應(yīng)的地址為“00”)：x未用位。ini 對控制器初始化為1時有效。當該位為1時,備份寄存器的數(shù)據(jù)挺直裝入分頻器的寄存器reg_data150,裝入后由硬件自動置0。new 當對正在運行的控制器寫入新的分頻系數(shù)時,對該位置1;當下一個分頻器輸出的clkout時鐘來到時,將fdiv_back寫入到reg_data150中,分頻器便按新的分頻系數(shù)舉行分頻。manner10 的驅(qū)動方式,用來控制相位輸出狀態(tài)機的輸出,“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16位寄存器,接收fdiv_back的值,對系統(tǒng)的分頻為265 536。對于12 mhz的輸入頻率,分頻后頻率為6 mhz183 hz,(本設(shè)計中,步進電機的啟動轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距、加速度由用法者按照實際狀況自己計算)分頻后每個clkout走一個步距角。對于步距角為1.8°的電機,可以滿足各種速度的要求。3 分頻器的設(shè)計分頻器是該控制器實現(xiàn)的關(guān)鍵,在這里作為一個自立的模塊,data150為分頻系數(shù)。系統(tǒng)時鐘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)機的時鐘,每個clkout到來時,產(chǎn)生一次相位轉(zhuǎn)換,步進電機運行一個步距角。分頻器的程序如下：圖3所示為3分頻時單四拍的輸出圖。結(jié) 語本文的創(chuàng)新點為將該步進電機控制器的控制字和分頻系數(shù)映射在主控制器(dsp或單片機等)的內(nèi)存空間,控制時僅需對其舉行寫操作,使步進電機的控制變得容易便利;而且,可節(jié)約主控制器(d