步進電機控制器的FPGA實現

O 引 言
隨著步進電機廣泛地應用于數字控制系統中作為伺服元件，步進電機在實時性和靈活性等性能上的要求越來越高。那么如何靈活、有效地控制步進電機的運轉成為研究的主要方向。這里采用現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，通過VHDL語言編程來實現四相步進電機的控制。利用FPGA設計具有以下優點：
硬件設計軟件化 FPGA的開發在功能層面上可以脫離硬件在EDA軟件上做軟仿真。當功能確定無誤后可以進行硬件電路板的設計。最后將設計好的，由EDA軟件生成的燒寫文件下載到配置設備中去，進行在線調試，如果這時的結果與要求不一致，可以立即更改設計軟件，并再次燒寫到配置芯片中而不必改動外接硬件電路。進行分層模塊設汁后系統設計變得更加簡單，在實時性和靈活性等性能上都有很大的提高，有利于步進電機的運動控制。
高度集成化，高工作頻率 一般的FPGA內部都集成有上百萬的邏輯門，可以在其內部規劃出多個與傳統小規模集成器件功能相當的模塊。另外，一般的FPGA內部都有PLL倍頻和分頻電路模塊，這樣可以在外部采用較低頻率的晶振而在內部獲得較高頻率的時鐘，進一步解決了電磁干擾和電磁兼容問題。

1 步進電機的工作原理
步進電動機是一種自動化執行部件，和數字系統結合可把脈沖數轉換成角位移，實現其正轉、反轉、手動和自動控制。四相步進電機有兩組線圈A和B。A，B兩組垂直擺放線圈的電流方向的排列組合，最多可以產生8種磁場方向，分別是O°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。表1給出了四相步進電機的8個方向和電流以及電壓信號的關系。
四相電動機有3種激磁方式：
一相激磁法：當目標角度是90°的整數倍時，采用這種方法。
二相激磁法：當目標角度是45°，135°，225°，315°的整數倍時，采用這種方法。
一、二相激磁法：即完全按照表1所列的信號順序。

2 步進電機定位控制器的整體設計
步進電機定位控制器的系統主要由步進電機方向設定電路模塊、步進電機步進移動與定位控制模塊以及編碼輸出模塊構成。前兩個模塊完成電機旋轉方向設定、激磁方式和定位角度的換算等工作，后一模塊用于對換算后的角度量編碼輸出。系統框圖如圖1所示。