基于fpga的步进电机控制器设计

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 IO 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：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。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。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。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_data150，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_data150中，分频器便按新的分频系数进行分频。Manner10 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_data150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 265536 。对于 12MHz 的输入频率，分频后频率为 6MHz183Hz ，(本设计中，步进电机 的启