基于FPGA的步進電機控制器設計

1、基于$:M"的步進電機控制器設計"青島科技大學!金元郁!李勇!李園園步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移的特殊電機#每改變一次通電狀態(tài)#步進電機的轉子就轉動一步$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#并且要至少一個R%A口來輔助控制和監(jiān)控步進電機的運行情況$在單片機或<經常7Q的應用系統(tǒng)中#配合MQS<或者=QI;來實現(xiàn)特定的功能$本文介紹通過=QI;實現(xiàn)的步進電機控制器$該控制器可以作為單片機或<只需向控制器7Q的一個直接數(shù)字控制的外設#的控制寄存器和分頻寄存器寫入數(shù)據(jù)#即可實現(xiàn)對步進電機的控制$如下),-2343.&-!控制

2、器與單片機等設備的總線接口+低電平有效+56!片選信號#寫信號#低電平有效+7%!低電平有效+%(6(4!復位信號#,-與單片機等設備32%G&-!內部寄存器地址信號#地址線相連+可由=QI;提供+5*8!待分頻的時鐘#,-3952/&-!四相位輸出$!步進電機的控制原理步進電機是數(shù)字控制電機#它將脈沖信號轉變成角位移#即給一個脈沖信號#步進電機就轉動一個角度#因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制$步進電機可分為反應式步進電機!簡稱&"(永磁式步進電機!簡稱&"和混合式aBQ0步進電機!簡稱&"$fH步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大

3、特點是#通過輸入脈沖信號來進行控制#即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定#而電機的轉速由脈沖信號頻率決定$步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作#控制信號由各類控制器來產生$其基本原理作用如下)通電換相$這一過程稱為&脈沖分#控制換相順序#配$例如)四相步進電機的單四拍工作方式#其各相通電順序為;*H*M*<$通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制;(控制步進電機的轉H(M(<相的通斷#向$如果給定工作方式正序換相通電#則步進電機正轉+如果按反序換相通電#則電機就反轉$控制步進電機的速度$如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖#它就轉一步#再發(fā)一個脈沖#它會再轉一步$兩個脈沖的間隔越短#

4、步進電機就轉得越快$調整控制器發(fā)出的脈沖頻率#就可以對步進電機進行調速$為&")-bbbR1:#X0"#$G0"#$-<1$圖!控制器外部接口電路控制器的內部原理框圖如圖,所示#由命令字寄存器!"(分頻系數(shù)備份寄存器!"(分頻器(相M%6$#L61O5"*VU位輸出狀態(tài)機組成$圖+!控制器內部原理框圖其中命令字寄存器M對應的地址%6$#U組成如下!+!控制器的總體設計控制器的外部接口電路如圖G所示$各引腳的功能.-!廣告專用""6O!%#&#()*+%)*!#6L$#C#*#61Oh圖,!,分

5、頻時單四拍的輸出仿真圖:!未用位#備+;&!對控制器初始化為G時有效#當該位為G時$份寄存器的數(shù)據(jù)直接裝入分頻器的寄存器$%#6"("G9&U&$裝入后由硬件自動置-#-/(7!當對正在運行的控制器寫入新的分頻系數(shù)時$對該位置G當下一個分頻器輸出的*2V+C(時鐘來到時$將L%中$分頻器便按新的61O5"*V寫入到$#6"("G9&-&U分頻系數(shù)進行分頻#%用來控制相位#3;(%,!<&!電動機的驅動方式$輸出狀態(tài)機的輸出$(表示單四拍方式$四相位輸出為-)!(表示雙四拍$四相位輸出為!;*

6、H*M*<"-G);H*$八拍!HM*M<*<"*;H*H*HM*M*M<*<*#<"分頻系數(shù)備份寄存器!=2&>9358"!兩字節(jié)寄存器$%&為分頻器的一個G接收L$#6"("G9&-K位寄存器$61OU對系統(tǒng)的分頻為,&K5"*V的值$99/K#對于G,0fj的輸入頻率$分頻后頻率為K0f$!本設計中$步jJ/fj&G進電機的啟動轉速+轉距+加速度由使用者根據(jù)實際情況自己計算"分頻后每個*2V+C(走一個步距角#對于步距角為G)的

7、電機$可以滿足各種速度的要求#Jl"$*>1(#*(C$#5>+LL$#C#*#61O1&h&1"2$#6"(",1(#$"#-(+K99/KUUUU,&1"261(#$"#-(+K99/K,-UUU&1"2L+U5#1U!"$#6"("+O1(#$6"("2*UU!"$+*#&&*2V!5#1U"1L!*2Vo#O#("6*2VoGo(>#"1L6!$#6&q

8、uot;("_G(>#U62-L+(L+2#2&#6PG26*2V+C(L+2#61L#61L#6!$+*#&&#65>,&(62+1*U圖/所示為/分頻時單四拍的輸出仿真圖#結!語本文的創(chuàng)新點為將該步進電機控制器的控制字和分頻系數(shù)映射在主控制器!的內存空間$控<7Q或單片機等"制時僅需對其進行寫操作$使步進電機的控制變得簡單方便而且$可節(jié)省主控制器!的外圍資源$<7Q或單片機等"減少板上負載#系統(tǒng)中可以加入電機運行總步數(shù)控制寄存器及其電路+加速度寄存器及其控制電路等$打造一個更智能的步進電機控制器#參考文獻

9、%&王曉明)電動機的單片機控制%北京航空航天大G0&)北京,學出版社$,-,)%&黃智偉)電子工業(yè)出版,=QI;系統(tǒng)設計與實踐%0&)北京,社$,-9)李勇!碩士研究生"#主要研究方向為圖像識別和嵌入式系統(tǒng)$金元郁!教授%博士研究生"#主要研究方向為控制理論$李園園!碩士研究生"#主要研究方向為計算機網絡與通信&!收稿日期",-KFGGFG-,!分頻器的設計分頻器是該控制器實現(xiàn)的關鍵$在這里作為一個獨立的模塊$%為分頻系數(shù)#系統(tǒng)時鐘M6"("G9&-&2V被分頻系數(shù)寄存器中值分頻后$輸出M2V+C(作為相位輸出狀態(tài)機的時鐘$每個M產生一次相位轉換$步進2V+C(到來時$電機運行一個步距角#分頻器的程序如下,215$"$1#8C&#1#)&(62+1*GGKZ)"22UC&#1#)&(62+1*"$1(>)"22UC&#1#)&(62+1*C&1#6)"22UU#(1(L$#C#*#61O1&8h!"!1&(62+1*O#*(+$G