基于FPGA的步進電機控制的實現(xiàn)

步進電機的用途還是非常廣泛的，目前打印機，繪圖儀，機器人等等設備都以步進電機為動力核心。那么，下面我們就了解下什么是步進電機，它是怎么控制的。

一、步進電機相關知識簡介

1、步進電機概述

步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。

2、步進電機的種類

目前常用的步進電機有三類：

（1）反應式步進電動機（VR）：它的結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，但動態(tài)性能相對較差。

（2）永磁式步進電動機（PM）：它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。

（3）混合步進電動機（HB）：它綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機。

如果還想做更深入的了解，自行查找相關資料。

3、步進電機控制的實現(xiàn)

我們實驗中所使用的步進電機為四相步進電機。轉子小齒數(shù)為64。系統(tǒng)中采用四路I/O進行并行控制，FPGA直接發(fā)出多相脈沖信號，在通過功率放大后，進入步進電機的各相繞組。這樣就不再需要脈沖分配器。脈沖分配器的功能可以由純軟件的方法實現(xiàn)。

四相步距電機的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。步距角的計算公式為：

其中：m為相數(shù)，控制方法是四相單四拍和四相雙四拍時C為1，控制方法是四相單、雙八拍時C為2，Zk為轉子小齒數(shù)。本系統(tǒng)中采用的是四相單、雙八拍控制方法，所以步距角為360°/512。但步進電機經過一個1/8的減速器引出，實際的步距角應為360°/512/8。

試驗中使用EXI/O的高四位控制四相步進電機的四個相。按照四相單、雙八拍控制方法，電機正轉時的控制順序為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。EXI/O的高四位的值參見表1.1。

表1.1 電機正轉時，F(xiàn)PGA四位IO口的值

反轉時，只要將控制信號按相反的順序給出即可。

步進電機的頻率不能太快，也不能太慢。在200Hz附近最好。頻率太快是轉動不起來的。

注：為什么步進電機高于一定速度就無法啟動：

步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。

二、實驗平臺

Quartus II 7.2 集成開發(fā)環(huán)境、SOPC-MBoard板、ByteBlaster II 下載電纜

三、實驗實現(xiàn)

1、在設計文件中輸入Verilog代碼。

　　// Title

　?。?StepMotorPorts

　　// Author

　?。?wangliang

　　// Generated ： 2011.08.16

　　module StepMotorPorts （StepDrive， clk， Dir， StepEnable， rst）;

　　input clk;

　　input Dir;

　　input StepEnable;

　　input rst;

　　output［3:0］ StepDrive;

　　reg［3:0］ StepDrive;

　　reg［2:0］ state;

　　reg［31:0］ StepCounter = 32‘b0;

　　parameter［31:0］ StepLockOut = 32’d200000;

　　//250HZ20 reg InternalStepEnable; 21

　　always @（posedge clk or negedge rst）

　　begin

　　if （ ！rst）

　　begin

　　StepDrive

　　《= 4‘b0;

　　state 《= 3’b0;

　　StepCounter 《= 32‘b0;

　　end

　　else

　　begin

　　if （StepEnable == 1’b1） InternalStepEnable 《= 1‘b1 ;

　　StepCounter 《= StepCounter + 31’b1 ;

　　if （StepCounter 》= StepLockOut）

　　begin

　　StepCounter 《= 32‘b0 ;

　　if （InternalStepEnable == 1’b1）

　　begin

　　InternalStepEnable 《= StepEnable ;

　　if （Dir == 1‘b1）

　　state 《= state + 3’b001 ;

　　else if （Dir == 1‘b0）

　　state 《= state - 3’b001 ;

　　case （state）

　　3‘b000 ： StepDrive 《= 4’b0001 ;

　　3‘b001 ： StepDrive 《= 4’b0011 ;

　　3‘b010 ： StepDrive 《= 4’b0010 ;

　　3‘b011 ： StepDrive 《= 4’b0110 ;

　　3‘b100 ： StepDrive 《= 4’b0100 ;

　　3‘b101 ： StepDrive 《= 4’b1100 ;

　　3‘b110 ： StepDrive 《= 4’b1000 ;

　　3‘b111 ： StepDrive 《= 4’b1001 ;

　　endcase

　　end

　　end

　　end

　　end

　　endmodule

注：

（1）第19行，此處的數(shù)值為200000，因為實驗中所使用的晶振時鐘頻率是50MHz，這樣我們?yōu)椴竭M電機提供了250Hz的頻率，使之能正常工作。

（2）第43、44行是選擇正轉還是反轉。

（3）第45行~第54行：就是根據(jù)表1.1而來的，配置步進電機的IO口值。

2、由設計文件生成的.bsf文件，其外接接口如圖1.2所示。

3、引腳分配

clk接時鐘；Dir接按鍵，控制正轉還是反轉；StepEnable接按鍵，表示開關；rst接復位信號；StepDrive接步進電機的4個引腳。

4、實驗結果

燒寫到FPGA上以后，通過撥動開關就可以使步進電機正轉反轉了。