步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行設(shè)備。在非超載的情況下,，電機(jī)轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),，而不受負(fù)載變化的影響，因此步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于精密控制場(chǎng)合[1],。
    在基于圖像處理評(píng)價(jià)函數(shù)的調(diào)焦系統(tǒng)中,，常用的調(diào)焦策略包括斐波那契搜索法和爬山搜索法,，其中又以爬山搜索法應(yīng)用最為廣泛[2],。根據(jù)爬山搜索的原理，在開始搜索時(shí),，先復(fù)位調(diào)焦鏡頭到起始搜索位置,，在搜索焦點(diǎn)的過(guò)程中，要防止由于圖像噪聲等干擾造成程序判斷錯(cuò)誤,，導(dǎo)致調(diào)焦鏡頭越出調(diào)焦范圍邊界,。
    為了適應(yīng)這種控制需求，對(duì)通用步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行了改進(jìn),，使其在具有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能的同時(shí),，引入限位信號(hào)反饋控制。電機(jī)控制器使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)編寫,，而限位信號(hào)則由位置感應(yīng)電路中的光電開關(guān)器件自動(dòng)反饋,。
1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理
    步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不同，它需要邏輯控制器與功率驅(qū)動(dòng)電路配合使用,。具有位置感應(yīng)電路的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖1所示,。

    電機(jī)控制器接受指令單元的控制指令，同時(shí)檢測(cè)位置感應(yīng)電路反饋的限位信號(hào),，然后向功率驅(qū)動(dòng)單元傳遞驅(qū)動(dòng)邏輯,，功率驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)換這些驅(qū)動(dòng)邏輯，并輸出功率脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,。
2 步進(jìn)電機(jī)控制器
    通用步進(jìn)電機(jī)控制器主要用于輸出驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào),，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向、速度,、步數(shù)和停止,。本文的步進(jìn)電機(jī)控制器要求具有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能,，同時(shí)加入復(fù)位和限位處理模塊，控制目標(biāo)為一種二相四線制步進(jìn)電機(jī),。加入限位信號(hào)（LIMIT）控制功能的控制器頂層信號(hào)如圖2所示,。

    圖2中DATA為電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的步數(shù)，HOLD控制電機(jī)停止,，MANUAL為手動(dòng)觸發(fā)信號(hào),，DIRECTION用于控制運(yùn)行方向，RESET_TRI為爬山搜索復(fù)位信號(hào),，四路OUT信號(hào)為步進(jìn)電機(jī)的輸出邏輯,，用于四線制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。通過(guò)控制輸出邏輯的頻率DRI_CLK可以控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度,，而輸出邏輯的轉(zhuǎn)換方向則控制了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向[3],。
2.1 模塊實(shí)現(xiàn)
    步進(jìn)電機(jī)在具有一定轉(zhuǎn)換方向的驅(qū)動(dòng)脈沖下運(yùn)行，據(jù)此將電機(jī)控制器劃分為方向控制和邏輯輸出兩個(gè)部分,。限位信號(hào)用于復(fù)位和限定運(yùn)行方向,，因此在方向控制部分同時(shí)處理限位；在邏輯輸出部分,，按照控制需求再次劃分為復(fù)位,、自動(dòng)和手動(dòng)三個(gè)邏輯處理模塊，在邏輯輸出的實(shí)現(xiàn)方式上,，復(fù)位,、自動(dòng)和手動(dòng)通過(guò)一定的優(yōu)先級(jí)邏輯，通過(guò)發(fā)送電機(jī)占用請(qǐng)求復(fù)用邏輯輸出模塊,。圖3為控制器模塊劃分示意圖,。

    (1)爬山復(fù)位
    爬山復(fù)位模塊用于復(fù)位調(diào)焦鏡頭到爬山搜索的起始位置。電機(jī)控制器在捕獲到指令單元的復(fù)位信號(hào)后,，按預(yù)定的運(yùn)行方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)邏輯,，直至控制器收到限位信號(hào)LIMIT的有效反饋后停止。復(fù)位過(guò)程中,，自動(dòng)和手動(dòng)請(qǐng)求無(wú)效,。
    (2)自動(dòng)控制
    步進(jìn)電機(jī)控制器的步數(shù)數(shù)據(jù)接收端DATA在接收到指令單元傳入的運(yùn)行步數(shù)后，首先檢查當(dāng)前是否有其他電機(jī)占用請(qǐng)求,，如果電機(jī)空閑,，就按照同時(shí)傳入的方向信號(hào)輸出指定步數(shù)的驅(qū)動(dòng)邏輯；否則忽略本次自動(dòng)控制請(qǐng)求,。
    (3)手動(dòng)微調(diào)
    手動(dòng)微調(diào)在控制器中作為一種輔助控制手段,，允許人工微調(diào)調(diào)焦鏡頭的位置。每啟動(dòng)一次手動(dòng)微調(diào),，電機(jī)就按照設(shè)定的運(yùn)行方向,，運(yùn)行一段固定的微調(diào)距離,。控制器在捕獲到手動(dòng)輸入信號(hào)后,，同時(shí)讀取手動(dòng)運(yùn)行方向DIRECTION的設(shè)置值,，如果當(dāng)前電機(jī)空閑，則按照手動(dòng)輸入的方向信號(hào)輸出固定步數(shù)的驅(qū)動(dòng)邏輯,；否則手動(dòng)請(qǐng)求無(wú)效,。
    (4)方向和限位處理
    當(dāng)控制器運(yùn)行在手動(dòng)微調(diào)或自動(dòng)控制時(shí)，需要防止調(diào)焦鏡頭越出邊界,。方向模塊在收到有效的限位信號(hào)LIMIT后,，對(duì)正在輸出的方向信號(hào)取反，控制步進(jìn)電機(jī)反方向運(yùn)行,，實(shí)現(xiàn)限位要求,。當(dāng)控制器沒有收到限位信號(hào)反饋時(shí)，則讀取DIRECTION端口的方向,，傳遞給邏輯輸出模塊,，用于控制驅(qū)動(dòng)邏輯的轉(zhuǎn)換方向。
    (5)邏輯輸出
    邏輯輸出模塊內(nèi)置邏輯發(fā)生器,，邏輯發(fā)生器按照電機(jī)請(qǐng)求和方向信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)邏輯,。方向信號(hào)用于控制驅(qū)動(dòng)邏輯的轉(zhuǎn)換方向,；自動(dòng)和手動(dòng)模塊的核心是計(jì)數(shù)器,，電機(jī)請(qǐng)求信號(hào)是步數(shù)計(jì)數(shù)器的輸出，因此電機(jī)請(qǐng)求信號(hào)的有效時(shí)間表示允許邏輯發(fā)生器運(yùn)行的時(shí)鐘周期數(shù),。
2.2 邏輯發(fā)生器
    邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式密切相關(guān),。本文控制目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)方式為二相雙四拍式。標(biāo)記步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組為：A(+),、B(-),、C(+)、D(-),，AB為一相,，CD為另一相，則二相雙四拍的驅(qū)動(dòng)方式為AC-AD-BD-BC[4],。二相雙四拍的驅(qū)動(dòng)方式是指電機(jī)輸入線的通電方式,，也即功率驅(qū)動(dòng)單元的輸出通電脈沖，而邏輯發(fā)生器的輸出還要考慮功率驅(qū)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)換方式,。
    功率驅(qū)動(dòng)單元可以使用MOS管等分立元件或?qū)Ｓ眉呻娐穼?shí)現(xiàn)[5],。為了減少電路規(guī)模，采用專用驅(qū)動(dòng)芯片BA6845FS完成功率轉(zhuǎn)換,。該芯片具有四路電平轉(zhuǎn)換,，支持二相雙四拍驅(qū)動(dòng)方式,；輸出飽和電壓低、內(nèi)置節(jié)電和過(guò)熱保護(hù)電路,，可以降低電路功耗,，同時(shí)提高電路可靠性。其真值表如表1所示[6],。從表1中可以看出,，當(dāng)控制器沒有接到電機(jī)運(yùn)行指令時(shí)，可以設(shè)置邏輯發(fā)生器的輸出B/D為0,，使步進(jìn)電機(jī)的繞組處于開路狀態(tài),，防止電機(jī)發(fā)熱。

    根據(jù)表1的功率轉(zhuǎn)換方式,，可以得到邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與二相雙四拍繞組通電方式的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系,，如表2所示。表2中1代表高電平,，磁極繞組通電,；0代表低電平，磁極繞組不通電,。

    表2中,，繞組任意一次通電方式間的變化（1-2、2-3,、3-4,、4-1），步進(jìn)電機(jī)都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角,，即移動(dòng)一步,，所以可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換的次數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)。邏輯發(fā)生器按照脈沖計(jì)數(shù)的順序,，從1到4循環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)邏輯時(shí),，繞組按照二相雙四拍的方式通電，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng),，反之實(shí)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動(dòng),。
    按照表2中的邏輯輸出電平即可設(shè)計(jì)邏輯發(fā)生器。其VerilogHDL代碼如下：
    always @(negedge clk or negedge reset)
    begin
        if(!reset) q = 4’b0000;
        else if(!hold || !run_en) q = 4’b0000;
        //輸出0可以使功率芯片輸出開路狀態(tài),，
        //防止電機(jī)發(fā)熱
          else begin//電機(jī)請(qǐng)求有效
          if(!direc_i)//反方向
          case (q)  //表2中的邏輯輸出
            4'b0111 : q = 4'b1111;
            4'b1111 : q = 4'b1101;
            4'b1101 : q = 4'b0101;
            4'b0101 : q = 4'b0111;
            default : q = 4'b0101;
          endcase
          else if(direc_i)//正方向
          case (q)
            4'b0111 : q = 4'b0101;
            4'b0101 : q = 4'b1101;
            4'b1101 : q = 4'b1111;
            4'b1111 : q = 4'b0111;
            default : q = 4'b0101;   
          endcase 
        end
    end
3 仿真與實(shí)驗(yàn)
    為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器是否能正常工作,，使用EDA工具和Nios II嵌入式系統(tǒng)對(duì)控制器進(jìn)行功能仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
3.1 功能仿真
    使用測(cè)試臺(tái)（testbench）程序在Modelsim中對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行功能仿真,。仿真時(shí)鐘周期為100 ns,，仿真結(jié)果如圖4所示。測(cè)試臺(tái)程序在預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)修改輸入端口寄存器的值，并監(jiān)視邏輯發(fā)生器的輸出,。在評(píng)價(jià)功能仿真輸出結(jié)果時(shí),，主要查看自動(dòng)、手動(dòng)和復(fù)位3個(gè)模塊的仿真輸出邏輯是否按測(cè)試臺(tái)程序要求轉(zhuǎn)換了預(yù)定的次數(shù),，同時(shí)檢查限位和停止功能是否有效,。

    圖4中，測(cè)試臺(tái)首先設(shè)置爬山復(fù)位(reset_tri)為有效,，邏輯發(fā)生器開始輸出驅(qū)動(dòng)邏輯,，直到限位信號(hào)(limit)下降沿到來(lái)，A/B/C/D恢復(fù)為0,；接著置手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)(manual)有效,，邏輯發(fā)生器在輸出手動(dòng)控制模塊預(yù)置的7次驅(qū)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換后，A/B/C/D恢復(fù)為0,；然后向自動(dòng)步數(shù)(data)寫入數(shù)據(jù)’00001001’,，邏輯發(fā)生器輸出了9次邏輯轉(zhuǎn)換；在手動(dòng)和自動(dòng)控制過(guò)程中,，測(cè)試臺(tái)在邏輯輸出過(guò)程中插入了有效的限位信號(hào),。由圖4可以看出，在1600 ns和3 μs 處,，驅(qū)動(dòng)邏輯的轉(zhuǎn)換方向發(fā)生了變化,；最后，向data寫入數(shù)據(jù)’00000100’,，驅(qū)動(dòng)邏輯重新開始輸出,，輸出過(guò)程中遇到停止信號(hào)(hold)有效，強(qiáng)制輸出A/B/C/D為0,。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器的功能正確,。
3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    步進(jìn)電機(jī)控制器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路如圖5所示,。嵌入Nios II處理器的片上可編程系統(tǒng)(SoPC)在ALTERA DE2開發(fā)板的FPGA中建立,，同時(shí)設(shè)計(jì)了位置感應(yīng)電路和功率驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驗(yàn)證復(fù)位和限位功能以及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),。

    位置感應(yīng)電路如圖6所示,。采用光電開關(guān)(optoiso)作為限位信號(hào)傳感器，當(dāng)調(diào)焦鏡頭在設(shè)定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí),，限位傳感器輸出高電平信號(hào),，到達(dá)邊界時(shí)則輸出低電平信號(hào)。光電開關(guān)輸出的電平信號(hào)經(jīng)存儲(chǔ)后,，輸出限位信號(hào)LIMIT,。
    步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，圖中A/B/C/D是步進(jìn)電機(jī)控制器輸出的邏輯電平信號(hào)，經(jīng)存儲(chǔ)后送入BA6845FS進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,，而功率芯片的輸出端口直接與二相四線制步進(jìn)電機(jī)的繞組控制線相連,。

    完成功率電路和位置反饋電路制作后，把它們連接在DE2開發(fā)板上,。將步進(jìn)電機(jī)控制器與Avalon總線信號(hào)連接后添加到Nios II系統(tǒng)集成工具SoPC Builder中,，然后添加其他Nios II系統(tǒng)模塊構(gòu)成一個(gè)SoPC并下載到FPGA。最后編寫面向Nios II處理器的步進(jìn)電機(jī)控制程序,，其中手動(dòng)控制采用按鍵中斷方式,。通過(guò)程序向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送自動(dòng)和手動(dòng)以及復(fù)位控制命令，驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，步進(jìn)電機(jī)可以響應(yīng)自動(dòng)控制和手動(dòng)微調(diào)請(qǐng)求，同時(shí)有效的限位信號(hào)可以復(fù)位調(diào)焦鏡頭到達(dá)爬山起始位置和限定鏡頭的移動(dòng)范圍,。
參考文獻(xiàn)
[1] 郭麗霞.基于AMIS30522的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表,，2009(8)：14-17.
[2] 程永強(qiáng)，黃英男,，謝克明.一種攝像頭自動(dòng)聚焦方法及硬件實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2009，(1)：28-31.
[3] 張文愛,，李逢磊,，程永強(qiáng).基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)聚焦的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008(5)：33.
[4] 王美川,，王紫婷.基于FPGA控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù),，2008，31(6)：184-187.
[5] 蔚永強(qiáng),，張秦嶺,，郭宏.一種低成本的新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007,，23(10)：95-97.
[6] Rohm CO.,，LTD.Stepping motor driver BA6845FS[EB/OL].2005[2010-09-28].http：//www.rohm.com.cn/.