基于FPGA的多模式步进电机控制器的设计

1、第12卷第2期2007年4月集美大学学报(自然科学版)JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Vol.12No.2Apr.2007文章编号1007-7405(2007)02-0155-06基于FPGA的多模式步进电机控制器的设计陈建容,叶文才(集美大学信息工程学院,福建厦门361021)摘要应用FPGA,公司FPGA编程软件Quartus411,A器件上验证了设计的可行性.关键词步进电机;中图分类号文献标识码A0引言步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,具有运动精确、无累积误差、动态响应特性好、易于正反向旋转及在低速情况下输出较大力矩等特点,

2、广泛应用于各种自动化控制系统中.原来步进电机控制系统多采用分立元件或者小规模集成电路组合而成,不仅安装调试复杂,需要消耗大量元器件,而且产品一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路.随着微电子技术的进步以及各应用领域多样化的需要,促使集成电路向高速、高集成度、低功耗的系统集成方向发展.20世纪末,FPGA(FieldProgrammodleGateArray)器件得到了广泛的应用,采用FPGA器件设计步进电机控制器具有编程简单、运行高速、可靠性高、功能强、开发期短等优点1.1步进电机的种类及其各种工作模式步进电机又叫脉冲电机,也就是根据给予脉冲的数量和频率来决定步进电机转动位移的大小和

3、运行的速度.根据电源供给情况可以分成单极性和双极性两种,一般采用单极性的直流电源较普遍.根据绕组的多少有三、四、五、六相等多种,而对于不同的步进电机又可工作于单相通电、双相通电或双相交互通电等多种方式.以三相步进电机为例就有单3拍、双3拍和三相6拍等3种工作模式111单3拍工作方式2.步进电机正转时,通电顺序为A-B-C-A,各相通电的电压波形如图1所示.步进电机反转时,通电顺序为A-C-B-A.112双3拍工作方式步进电机的通电顺序为AB-BC-CA-AB.113三相6拍的工作方式三相6拍工作方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A,对于四相步进电机则有单4拍、双4拍和四相8拍等工作

4、模式.收稿日期2005-10-27作者简介陈建容(1967-),男,实验师,从事电子技术研究.156集美大学学报(自然科学版)第12卷2多模式步进电机控制器设计方案根据步进电机的工作原理,以三相、四相电机控制器为例设计了如图2所示的控制器原理图.图2主要包括3部分功能模块.数据分配器通过模式选择信号sel0、sel1将外部脉冲送入相应的功能控制模块;功能模块是实现功能的核心模块,通过功能模块实现不同的模式控制;数据选择器通过模式选择信号,根据不同的模式功能,选择该功能模块的信号输出.图2中共用到4个数据选择器,数据选择器a选择输出步进电机A相信号输出,输入、输出的连接线在示意图(见图2)中全部

5、画出,数据选择器b、c选择输出步进电机B相和C相信号,连接线方式相同于数据选择器a,这里省略.数据选择器d输出步进电机D相脉冲,只用于四相步进电机,所以只输入四相电机控制模块的D3、D4信号,其他输入端直接接地.本设计可实现8种模式的步进电机控制,如果要实现更多种模式步进电机的控制,只要将14数据分配器改为18数据分配器,将4选1数据选择器改为8选1数据选择器,然后再增加相应的模式控制模块就可以扩展到16种控制模式211数据分配器的设计3.图3是数据分配器的RTL电路,应用synplify软件加载VHDL文件直接转换为RTL电路.数据分配器根据给定的选择信号sel0和sel1控制输入的时钟信号

6、clk,按照设定的从Y0、Y1、Y2、Y3中的一路输出,输送给相应的模式控制模块.sel0、sel1取值为00时从Y0输出,01则从Y1输出,10从Y2输出,11从Y3输出.在写VHDL程序时定义电路的输入和输出变量名称、数据类型,考虑到初始状态其输出应为0,所以在进程的开始要置输出均为0.针对不同的选择信号,电路从不同的输出端口输出从输入端送进来的时钟信号,这就可以使用CASE语句来实现,若所有条件语句中的选择值不能完整覆盖CASE语句中表达式的取值,则最末一个条件句中的选择必须用“others”表示,其目第2期陈建容等:基于FPGA的多模式步进电机控制器的设计157的是为了使条件语句中的所

7、有选择值能涵盖表达式的所有取值,以免被插入不必要的锁存器.这一点对于定义为STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR数据类型的值尤为重要.除此之外,条件句中的选择值必在表达式的取值范围中,每一条件句的选择值只能出现一次,不能有相同选择值的条件语句出现,执行中必须选中且只能选中所列条件语句中的一条.包装元件入库变成一个包装好的单一元件symbol,模块调用.212,现以三相双3,说明设计过程.该,每次同时给两相通电,需要有一个复位信号,当复位信号高电平时,状态机4就回到起始状态.图4是该模块的状态机.图4中共有4个状态:ST0(起始状态)、ST1(A、B两相通电状态)、ST2(B、C两

8、相通电状态)、ST3(C、A两相通电状态).U_d1为方向信号.步进电机的运行方式为:状态机起始或是被复位(en1)都处于ST0(起始状态),此时输出端为“000”=1,步进电机不运转.当脉冲到来,而且U_d1恒为高电平时,状态机将按下列顺序转换:ST0状态ST1状态ST2状态ST3状态ST1状态,对应步进电机的绕组通电顺序是ABBCCAAB,而输出端分别输出“000”“011”“110”“101”“011”;若是U_d1为低电平,状态机转换顺序变为:ST0状态ST2状态ST1状态ST3状态ST2状态,步进电机的绕组通电顺序是CBBAACCB,输出:“000”“110”“011”“101”“1

9、10”.将该模块包装为一个symbol以备总模块调用.213数据选择器模块设计数据选择器实现对一台步进电机的旋转模式进行控制,而该模块的功能就是实现在不同选择信号下,输出不同的旋转模式控制信号.该模块的输入信号有选择信号sel0和sel1(与上述数据分配器的sel是同一个信号)、a2.0、b2.0、c3.0和d3.0,输出信号只有f3.0.当sel为“00”时对应单3拍输出模式的输出,即让步进电机按照单3拍模式运行;当sel为“01”时对应步进电机按双3拍模式运行;当sel为“10”时步进电机按三相7拍模式运行;当sel为“11”时按双4拍模式运行.其RTL电路如图5所示,un1_sel等4个

10、与门由选择信号sel构成,进程中的if语句形成了其中的多路选择器.将该模块包装为一个symbol以备总模块调用.158214模块集成集美大学学报(自然科学版)第12卷各功能模块设计完成后,连接生成总的功能模块,实现设计功能.生成后的总模块如图6所示.对涉及的外部端口做一个说明:1)时钟脉冲信号clk(输入):步进电机运行的依据,一个脉冲相当于给步进电机绕组通电一次,驱动步进电机旋转.2)模式选择信号sel1.0(输入):既作为数据分配器的选择信号,也作为数据选择器的选择信号.分配器的时钟脉冲信号,直接.3)正/反转控制信号U_d(输入):连接各个模式控制块,控制步进电机的运转方向.4)使能信号

11、en(输入):该信号也连接系统的各个模式控制块,控制步进电机的停止/运行,当它为高电平时,步进电机停止运转.5)各相绕组通/断信号线f3.0:f0控制电机的A相绕组;f1为B相绕组的控制信号;f2输出控制C相通/断;f3控制D相绕组.当输出为1时,代表对绕组通电,从而实现了对步进电机的运行模式控制.输入时钟信号clk由sel选择信号决定其从数据分配的4个输出端Y0、Y1、Y2、Y3中的一个输第2期陈建容等:基于FPGA的多模式步进电机控制器的设计159出,图6中4个模式控制模块的复位信号(en0、en1、en2、en3)由同一个复位信号en来控制,正/反方向控制信号U_d连接4个模式控制模块的

12、方向控制信号(U_d0、U_d1、U_d2、U_d3),而4个模式控制模块的输出接到数据选择器的4个输入端,由前面的sel选择信号决定是哪路数据输出,用以控制步进电机旋转模式.3系统调试311时序仿真调试调试主要运用Altera公司的QuartusII411one器件EP2IC6Q240C8实现总模块的下载调试.具体操作:,之后新建一个波形文件,assignmentssettingsstepsimulator选择要仿真的波形文件并设置E,.通过对各个模块的时序仿真波形5进行分析()达到设计要求后,就可以对总模块进行时序仿真.总8所示.在图74种不同的运行模式.具体分析如下:当U_d为高电平时,

13、假定此时步进电机的方向为正方向,当sel为“00”时输出端将输出步进电机工作在三相状态下运转模式1的序列(ABCA);当sel为“01”时输出按模式3旋转的序列(ABBCCAAB);当sel为“10”时输出模式5的控制序列(ABCA);最后当sel为“11”时输出模式7的控制序列(ABBCCDDAAB).图8说明了另外的4种模式.具体分析如下:此时U_d为低电平可以认为电机是反方向旋转,当sel为“00”时按模式2输出序列:CBAC;当sel为“01”时按模式4输出序列:CBBAACCB;当sel为“10”时按模式6输出序列:DCBAD;当sel为“11”时按模式8输出序列:DCCBBAADD

14、C.注意到:当en信号为高时,该系统的输出均为0,这是因为在连接总模块电路图时把各个模式控制模块的复位信号用同一个使能信号来控制,这样当步进电机的运转出现问题时可以马上停止.160集美大学学报(自然科学版)第12卷312下载到实际FPGA器件上进行工程调试使用QuartusII的软件成功编译设计工程之后,就可以对Altera器件进行编程或配置了.QuartusII编译器的Assembler模块自动将适配过程的器件、逻辑单元和引脚分配信息转换为器件的编程图像,并将这些图像以SRAM对象文件(1sof)的形式保存为编译文件,Quartus软件的编程器(Program2mer)使用该文件对器件Byt

15、eBlasterMV进行编程配置.配置完成便可以下载到FPGA器件进行调试.工程调试在GW48SOPC/EDA开发系统上完成.FPGA器件EP2IC6Q240C8中,加入输入脉冲,选择信号用开发器上的模拟开关替代,驱动,.因此,只需一片FPGA.本研究的步进电机.献1任爱锋,FPGM.西安:电子科技大学出版社,2004.2陈隆昌,.控制电机M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.3李峻,张俊儒电机控制集成电路的原理M.北京:冶金工业出版社,1995.4潘松,黄继业.EDA技术实用教程M.北京:科学出版社,2003.5杨刚,龙海燕.现代电子技术VHDL与数字系统设计M.北京:电子工业出版社,2004.DesignofaMulti2modeSteppingMotorControllerbytheFPGACHENJian2rong,YEWen2cai(SchoolofInformationEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China)Abstract:Amulti2modesteppingmotorcontrollerwasdesignedbytheFPGAinstrument.Thede