基于HDL/FPGA 的步進電機驅(qū)動控制器設(shè)計＊

段 簡，張奕婷，鄭曉峰，陳 磊，周 穎，錢 敏，2

（1.蘇州城市學(xué)院電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，江蘇 蘇州 215006）

步進電機是一種應(yīng)用范圍廣泛的驅(qū)動控制裝置，其工作原理是將輸入的電脈沖信號進行轉(zhuǎn)換，使自身產(chǎn)生相對應(yīng)的角位移或者線位移[1-2]。步進電機的角位移量或線位移量與步進電機接收到的脈沖數(shù)成正比，即輸入的脈沖信號越多，步進電機的角位移或線位移就越多。而步進電機的轉(zhuǎn)速則由輸入脈沖的頻率控制，輸入的電脈沖信號的頻率越高，步進電機的轉(zhuǎn)速就越快。

步進電機根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，主要可以分為3 種類型，即反應(yīng)式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HS）[3]。本次設(shè)計所采用的步進電機是四相反應(yīng)式步進電機，其示意圖如圖1 所示。

圖1 四相反應(yīng)式步進電機

與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，采用基于硬件描述語言/現(xiàn)場可編程門陣列HDL/FPGA（Hardware Description Language，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）的EDA（Electronic Design Automation）設(shè)計方法設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)有巨大的優(yōu)越性，且已成為大規(guī)模集成電路設(shè)計中使用最廣泛的一種方法。在控制驅(qū)動步進電機時，由于步進電機能直接接收數(shù)字量的輸入來控制電脈沖，且電路設(shè)計比較簡單，適宜采用HDL/FPGA 實現(xiàn)；通過FPGA 開發(fā)工具Quartus Ⅱ可以高效地進行編譯綜合、波形仿真、下載測試，從而能夠簡化設(shè)計、提升效率、實現(xiàn)功能模塊化[3-4]。

1 步進電機的工作原理和驅(qū)動方式

如圖1 所示，步進電機主要由2 部分組成：一個是定子，上面有幾組纏繞著線圈的齒；另一部分是可自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。定子有4 相繞組，轉(zhuǎn)子上一共有6個齒。以電機的四相單四拍的通電模式為例，反應(yīng)式步進電機的工作原理是利用了物理上的“磁通總是力圖使自己通過的路徑的磁阻最小”所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機發(fā)生轉(zhuǎn)動。開始時，只有B 相繞組通電，由于電流在步進電機中產(chǎn)生一個穿過轉(zhuǎn)子的磁場，而這個磁場將轉(zhuǎn)子磁化，此時距離B 相最近的齒會被吸引，直到與B 相繞組對齊。由于圖中0、3 號齒本就與B相繞組對齊，所以此時轉(zhuǎn)子不發(fā)生轉(zhuǎn)動。只有當C 相繞組通電時，因為距離C 相繞組最近的1、4 號齒未與C 相繞組對齊，所以此時在磁場的作用下，C 相繞組會產(chǎn)生一個吸引轉(zhuǎn)矩，吸引距離C 相繞組最近的1、4號齒向C 相繞組靠近，即在磁場作用下，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動至1、4 號齒與C 相繞組對齊時停止。當只有D 相繞組通電時，因為磁場作用，2、5 號齒被吸引，轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動。以此類推，通過不斷切換通電的相，電機就能不停地轉(zhuǎn)動。

除了電機每次單相通電的供電方式，即四相單四拍的通電方式之外，電機的四相繞組的供電方式還有四相雙四拍和四相單、雙八拍的通電方式。

四相雙四拍的通電方式為：每次有兩相相鄰繞組接通電源，如A、B 相繞組通電而C、D 相繞組不通電。若初始狀態(tài)如圖1 所示，那么A、B 相繞組通電時，因為磁場作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，會吸引0、3 號齒與A、B 相繞組磁極的中間線對齊。當只有B、C 相繞組通電時，同理0、3 號齒應(yīng)該與B、C 相繞組磁極的中間線對齊。以此類推可得到供電方式為四相雙四拍時電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。

本次設(shè)計采用的四相單、雙八拍的通電方式為單相通電和雙相通電交替進行的模式。這種模式將步進電機轉(zhuǎn)動1 圈的拍數(shù)從4 拍變?yōu)? 拍，使步進電機每次轉(zhuǎn)動的角度變?yōu)樗呐臓顩r下的1/2，即四相單、雙八拍的步距角是單四拍或雙四拍步距角的1/2。

當控制電機反轉(zhuǎn)時，只需要將四相繞組的通電順序改為與電機正轉(zhuǎn)時的通電順序相反即可。步進電機的步距角就是步進電機每轉(zhuǎn)一次時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步距角的計算公式為：

式（1）中：m為步進電機徑向相對的繞組數(shù)，也就是相數(shù)；C為步進電機工作的拍數(shù)和相數(shù)的比值，即步進電機以單四拍和雙四拍的通電模式工作時，C=1，而當步進電機以單八拍和雙八拍的通電模式工作時，C=2；Zk為轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)，本次設(shè)計所使用的四相步進電機的轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為64。

因為步進電機經(jīng)過一個1/8 的減速器引出，所以本次設(shè)計所使用的四相步進電機實際的步距角是=0.0879°。

2 步進電機驅(qū)動控制的實現(xiàn)

本次設(shè)計采用四相單、雙八拍的通電模式來控制四相步進電機的轉(zhuǎn)動，A、B、C、D 這4 個相的通電與否由4 路I/O 信號并行控制，即由FPGA 的四位I/O口輸出4 路脈沖信號，分別控制四相步進電機的4 個相。FPGA 輸出的脈沖信號經(jīng)過功率放大之后，進入步進電機的各相繞組[5]，由此便實現(xiàn)了由FPGA 輸出的脈沖信號直接控制步進電機的驅(qū)動，而不再需要脈沖分配器來對輸入的電脈沖信號進行分配。圖2 為四相步進電機與FPGA 板的連接示意圖。

圖2 四相步進電機在開發(fā)板中的接法

按照四相單、雙八拍的控制方法來驅(qū)動四相步進電機進行正轉(zhuǎn)時，電機四相繞組的通電順序依次為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。高電平為接通電源，低電平為不接通電源，容易得到在控制電機正轉(zhuǎn)時，F(xiàn)PGA 四位I/O 口的值，如表1 所示。當電機反轉(zhuǎn)時，4 個相的通電順序與電機正轉(zhuǎn)時的通電順序相反，即通電相序為A→DA→D→CD→C→BC→B→AB，此時FPGA 四位I/O 口的值應(yīng)與電機正轉(zhuǎn)時四位I/O 口輸出值的順序相反。

表1 電機正轉(zhuǎn)時FPGA 四位I/O 口的值

因為步進電機需要完成正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2 種工作，所以控制四相步進電機不僅需要能驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的電脈沖信號clk，還需要復(fù)位信號rst 和控制電機正反轉(zhuǎn)的方向信號dir。步進電機的原理圖如圖3 所示。

圖3 設(shè)計原理框圖

本設(shè)計采用Ve r i l o g H D L 的編程方法，在Quartus II 9.1 軟件中實現(xiàn)步進電機驅(qū)動控制電路的搭建、編譯和波形仿真等工作。其中，實現(xiàn)主要功能部分的代碼如下：

if((clk==1” b1))

begin

StepCounter<=StepCounter+31” b1;

if(StepEnable==1” b1)

begin InternalStepEnable<=1” b1; end

if(StepCounter>=StepLockOut)

begin

StepCounter<=32” b0;

if(InternalStepEnable==1” b1)

begin

InternalStepEnable<=StepEnable;

if(Dir==1” b1)

begin state<=state+3” b001; end

if(Dir==1” b0)

begin state<=state-3” b001; end

case(state)

3” b000: begin StepDrive<=4” b0001;end

3” b001: begin StepDrive<=4” b0011;end

3” b010: begin StepDrive<=4” b0010;end

3” b011: begin StepDrive<=4” b0110;end

3” b100: begin StepDrive<=4” b0100;end

3” b101: begin StepDrive<=4” b1100;end

3” b110: begin StepDrive<=4” b1000;end

3” b111: begin StepDrive<=4” b1001;end

endcase

end

end

end

代碼主要實現(xiàn)了驅(qū)動電機時四位I/O 口的8 種輸出狀態(tài)，以及通過方向控制變量dir 來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當通過使用條件語句時，state 的值為000～111，分別對輸出變量step_drive 進行賦值。state 的值一共有8 個，每個值對應(yīng)著步進電機4 個相的不同通電狀態(tài)，當控制方向的變量dir 為1 時，電機正轉(zhuǎn)，state的值按照上面代碼所展示的從上到下的順序依次變化；而控制方向的變量dir 為0 時，電機反轉(zhuǎn)，state 的值按照從下到上的順序依次變化。

3 波形仿真與下載測試

利用Quartus II 9.1 軟件對整個步進電機驅(qū)動控制器設(shè)計HDL 代碼并進行波形仿真。

圖4 為電機正轉(zhuǎn)時FPGA 四路I/O 口的輸出波形及接收到復(fù)位信號后的輸出波形。其中clk 為控制電機轉(zhuǎn)動的電脈沖信號；StepEnable 為控制電機是否工作的使能端，在進行波形仿真時，StepEnable 一直處于置1 狀態(tài)；rst 為復(fù)位信號，置1 時電機正常運轉(zhuǎn)，置0 時電機復(fù)位；dir 為方向信號，當dir 的值為1 時，電機正轉(zhuǎn)（逆時針旋轉(zhuǎn)），當dir 的值為0 時，電機反轉(zhuǎn)（逆時針旋轉(zhuǎn)）。

圖4 電機正轉(zhuǎn)時輸出波形及復(fù)位后波形

電機反轉(zhuǎn)時的FPGA 的四路I/O 口的輸出波形如圖5 所示，F(xiàn)PGA 四路I/O 口數(shù)值為0001，即步進電機反轉(zhuǎn)時第一個狀態(tài)為A 相通電，隨后四路I/O 口輸出波形和表1 所描述的相反。當接收到復(fù)位信號時，四路I/O 口的值變?yōu)?000，然后重新從0001 開始。即當步進電機接收到復(fù)位信號以后，步進電機的4 個相均不通電，然后重新從A 相通電的狀態(tài)開始，步進電機重新開始旋轉(zhuǎn)。

圖5 電機反轉(zhuǎn)時的輸出波形及復(fù)位后波形

當實現(xiàn)控制步進電機進行正反轉(zhuǎn)狀態(tài)切換的功能時，F(xiàn)PGA 的四路I/O 口的輸出波形如圖6 所示。當方向信號dir 的值由1 變?yōu)? 時，四路I/O 口的值為0011，在下一個使電機旋轉(zhuǎn)的電脈沖信號到達后，四位I/O輸出的值變?yōu)?010，即電機由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的狀態(tài)。所以在控制電機在從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)）時，電機保持現(xiàn)有的狀態(tài)，等下一個控制電機旋轉(zhuǎn)的脈沖信號到來時，電機變?yōu)榉崔D(zhuǎn)狀態(tài)（正轉(zhuǎn)狀態(tài)）。

圖6 電機正反轉(zhuǎn)切換時的輸出波形

通過波形仿真結(jié)果，驗證了步進電機驅(qū)動控制器設(shè)計程序的功能，即能夠控制電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位及正反轉(zhuǎn)狀態(tài)的切換。經(jīng)過下載測試，與仿真結(jié)果相符，達到了設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了使用Verilog HDL 對步進電機的驅(qū)動電路進行描述，利用Quartus II 軟件對Verilog HDL 設(shè)計程序進行邏輯功能的驗證，最終通過FPGA 開發(fā)板下載測試，完成了對步進電機驅(qū)動控制的實際功能的驗證。

本次設(shè)計主要圍繞控制步進電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、在正反轉(zhuǎn)時進行復(fù)位和切換及控制轉(zhuǎn)速等功能進行研究，充分利用了硬件描述語言HDL 較傳統(tǒng)方法設(shè)計簡單、易于驗證、自上而下的優(yōu)點，在實際應(yīng)用中可根據(jù)要求靈活改變，以適用于不同場合。