步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特殊電機(jī)，每改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一步,。目前大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)控制器需要主控 制器發(fā)送時鐘信號,，并且要至少一個I／O口來輔助控制和監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況。在單片機(jī)或DSP的應(yīng)用系統(tǒng)中,，經(jīng)常配合CPLD或者FPGA來實(shí)現(xiàn)特定 的功能,。本文介紹通過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的一個直接數(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),，即町實(shí)現(xiàn)對步進(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),，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移,，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度,，因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制,。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(簡稱“VR”)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(簡稱“PM”)和混合式步進(jìn)電機(jī)(簡稱“HB”),。

步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是,，通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定,，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定,。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)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：

①控制換相順序,，通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式,，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D,。通電控制脈沖必須嚴(yán)格按 照這一順序分別控制A、B,、C,、D相的通斷，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向,。如果給定工作方式正序換相通電,，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序換相通電,，則電機(jī)就反轉(zhuǎn),。

②控制步進(jìn)電機(jī)的速度。如果給步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率,，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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如圖1所示。各引腳的功能如下：



控制器的內(nèi)部原理框圖如圖2所示,，由命令字寄存器(Cmd_reg),、分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back)、分頻器,、相位輸出狀態(tài)機(jī)組成,。



其中命令字寄存器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(dāng)該位為1時,，備份寄存器的數(shù)據(jù)直接裝入分頻器的寄存器reg_data[15～0]，裝入后由硬件自動置O,。

Newr當(dāng)對正在運(yùn)行的控制器寫入新的分頻系數(shù)時,，對該位置1；當(dāng)下一個分頻器輸出的clkout時鐘來到時,，將fdiv_back寫入到reg_data[15～0]中,，分頻器便按新的分頻系數(shù)進(jìn)行分頻。

Manner[1～0] 電動機(jī)的驅(qū)動方式,，用來控制相位輸出狀態(tài)機(jī)的輸出,，“00”表示單四拍方式，四相位輸出為(A-B-C-D)；“Ol”表示雙四拍,，四相位輸出為(ABBC-CD-DA),，八拍(A-AB-B-BC-C-CD-DDA)。

分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back) 兩字節(jié)寄存器,，reg_data[15～0]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2～65536,。對于12MHz的 輸入頻率，分頻后頻率為6MHz～183Hz,，(本設(shè)計(jì)中,，步進(jìn)電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距,、加速度由使用者根據(jù)實(shí)際情況自己計(jì)算)分頻后每個clkout走一 個步距角,。對于步距角為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,，在這里作為一個獨(dú)立的模 塊，data[15～0]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(jī)的時鐘，每個Clkout到來時,， 產(chǎn)生一次相位轉(zhuǎn)換,，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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仿真圖,。

　　結(jié)語
 

　 　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,，控制時僅需對其進(jìn)行寫操作，使步進(jìn)電機(jī)的控制變得 簡單方便,；而且,，可節(jié)省主控制器(DSP或單片機(jī)等)的外圍資源，減少板上負(fù)載,。系統(tǒng)中可以加入電機(jī)運(yùn)行總步數(shù)控制寄存器及其電路,、加速度寄存器及其控制 電路等，打造一個更智能的步進(jìn)電機(jī)控制器,。