基于NiosII軟核處理器的步進電機接口設計

馮新宇，蔣洪波，欒 兵

（1.黑龍江科技學院 黑龍江 哈爾濱 150027；2.東北農業大學成棟學院 黑龍江 哈爾濱 150025）

電子技術發展日新月異，控制技術也發生了革命性的變化，特別是SOC技術的發展，文中主要研究的是遠程控制系統中步進電機控制模塊設計[1-2]。首先，根據控制功能的要求設計了步進電機控制模塊，該模塊采用一種脈沖疊加算法，實現了對步進電機任意頻率變速[1]；然后，將該模塊封裝到SOPCBuilder的標準模塊庫中；最后，利用SOPC技術，在Altera公司的Cyclone II EP2C35芯片上集成了Nios II軟核，相關的外圍控制器和自定義的電機控制模塊，完成了該設計的驗證工作。

1 基本原理

步進電機是一種把電脈沖信號變換成直線位移或角位移的執行元件。步進電機的轉子做成多極的，定子上嵌裝有多相不同連接的控制繞組，有專用電源供電。每輸入一個脈沖，步進電機就前進一步，故又叫做脈沖電動機。其角位移量與脈沖數成正比；線速度或轉速與脈沖頻率成正比。

本文是針對的四相反應式步進電機而設計的控制器，它的定子磁極上增加了小齒，轉子也做成多極的，定、轉子的齒距相同，齒數也適當的配合。這樣，在一對磁極下，定、轉子齒在對正時，下一相繞組下的定轉子齒錯開t/m（t為齒間距，m為相數），再下一相繞組下定、轉子齒錯開2 t/m，并以此類推，在定子磁場的作用下，由于轉子力圖取最大的磁導位置，所以每一拍，轉子轉過相當t/m齒矩的角度（步距角）：

式中:N——轉子每轉過一個齒矩的運行拍數；

ZR——轉子齒數。

步進電機的轉速為：

式中：f——脈沖頻率（Hz）；n——轉速（r/min）。

步進電機常用的有四相，也有三、五、六甚至更多相。相數和轉子齒數越多，步矩角就越小，在同樣的脈沖頻率下，轉速越低。

2 電機控制模塊結構設計

2.1 概述

步進電機控制主要由電機控制器和電機驅動器兩部分組成，如圖1所示。其中，電機控制器用于控制產生脈沖，電機驅動器用于控制輸出信號的功率放大。本文主要設計電機控制器。從圖1可知，在電機控制器中含Avalon總線接口。在整個Nios II系統中電機控制器作為一個從設備使用。

圖1 步進電機控制結構圖Fig.1 Structure of step motor controller

電機控制系統的工作過程是：當控制電機的命令信號經網絡發出，傳給NiosII后，Nios II通過Avalon總線將信號傳給電機控制器，將這個信號作為電機控制器中controller的輸入，然后電機控制器會自動的輸出4相控制步進電機的脈沖信號，這些信號再經過電機的驅動器的功率放大后，就可以直接驅動電機運轉。可以看出其中的controller是整個電機控制模塊的核心。這里的contorller模塊又由3部分組成：脈沖發生控制器、脈沖發生器、脈沖分相器。脈沖發生控制器主要是為脈沖發生器提供基準脈沖和和標記脈沖個數的寄存器值。然后通過脈沖分相器的作用來控制電機的脈沖信號CP。

2.2 脈沖發生器方案的提出

根據整個系統的設計要求，電機控制器需具有基準時鐘65 536 Hz；輸出脈沖的個數設定范圍 1～16 777 215；輸出脈沖的速率設定范圍1－65 535 pps。根據上面的要求，所以需要用一個16位的計數器來實現不同脈沖的信號的輸出，而不同頻率的輸出脈沖之間不能重疊。

有了16種不同的頻率而且互不重疊的基脈沖后，就可以提取16種頻率的脈沖作為疊加脈沖，從而得到0～65 535范圍內的連續可調的脈沖頻率[3]。

式中:f為要得到的頻率；fi為各個疊加頻率；f0基準脈沖；rn－（i+1）第 n－（i+1）個寄存器。

文中取n=16，所以16個寄存器組成的16位二進制數的范圍就是 0000～FFFF。根據公式（3）、（4）可知，只要 f0等于65 536 Hz，那么通過改變二進制數（r15～r0），輸出 f就連續可調。該電路也就是脈沖發生器（step_wave）中的核心電路。

2.3 電機控制模塊設計

一般步進電機的控制器可以通過單片機來實現，本文電機控制模塊是用verilog HDL語言實現、以IP模塊的形式封裝在SOPCBuilder的IP模塊庫中，它是可以被Nios II系統直接調用的。圖2為電機控制模塊的設計層次圖。

圖2 電機控制模塊設計層次圖Fig.2 The hierarchical structure of motor controller

1）脈沖控制器

根據脈沖控制器要實現的功能，可以確定脈沖控制器主要是由以下幾個小模塊構成：標準頻率產生模塊；總輸出脈沖數控制模塊；輸出的脈沖個數寄存器更新模塊。

2）脈沖發生器

脈沖發生器的功能是產生需要的脈沖序列，經過分析后知道，此部分主要由以下幾個模塊構成：

①16 bit計數器，脈沖發生器最終輸出的脈沖其實是由1/2CLK、1/4CLK、1/8CLK…1/32 768CLK這 16種脈沖組合實現，CLK是由step_control分頻得到基準時鐘。為了實現這16種頻率的脈沖，需要16bit的計數器。16bit計數器的產生16種狀態，保持16種基頻的狀態唯一。

②基頻產生模塊，由公式（3）、（4）可知，這 16種脈沖其實是以16bit計數器的16種不會重疊的狀態為條件而產生的。

③脈沖疊加，脈沖疊加模塊，用來把這16種脈沖疊加起來，得到需要合成的輸出。最終合成的輸出控制可由16個兩輸入與門來實現，一端接輸出脈沖，另一端接對應的脈沖個數寄存器。

3）脈沖分相器

由于是四相步進電機，并以單拍的方式運行，所以在最后從脈沖分相器輸出的頻率為四相。CP[3:0]就是最終輸出的四相信號。

3 電機控制模塊的仿真與驗證

1）功能仿真

電機控制模塊在Quartus II上的綜合結果如圖3所示，電機控制模塊是由 slave、step_control、step_wave及 step_cp 4部分組成。

圖3 電機控制模塊的仿真結果Fig.3 Simulation of motor controller module4

2）SOPC 平臺驗證

首先導入的HDL文件是用于描述模塊的硬件邏輯功能。對于電機控制模塊，導入的文件分別是motor.v、step_control.v、step_wave.v和 step_cp.v，其中 motor.v是頂層文件，配置 SOPC 平臺[4－6]，如圖 4 所示。

圖4 電機控制模塊與Avalon總線的連接Fig.4 Connecting between motor module and Avalon

當通過SW開關設定不同的值時，相應控制電機的4路脈沖信號就可以通過led顯示出來。同時，利用Quartus II中的signaltap II的對電機控制模塊仿真如圖5所示。仿真結果是與實際設計相符的。

圖5 電機控制模塊在signaltap II上的仿真結果Fig.5 Simulation result of motor control on signaltap II

4 結 論

根據控制功能的要求，文中設計了步進電機控制模塊，該模塊采用一種脈沖疊加算法，實現了對步進電機正、反轉控制；實現了對步進電機轉動的定位和任意頻率變速。完成了對該模塊向SOPCBuilder的標準模塊庫中的封裝。

結合Avalon總線、Nios II內核及其外設的特點，使用Quartus II和SOPC Builder在Cyclone II上創建了一個遠程控制的硬件平臺。

[1]孫愷，王田苗，魏洪興，等.嵌入式CPU軟核綜述[J].計算機工程，2006，32（7）:6－10.SUN Kai，WANG Tian-miao，WEI Hong-xing，et al.Embedded CPU soft core review[J].Computer Engineering，2006，32（7）:6－10.

[2]Zhang L Q，Shi Y，Chen T W.A new method for stabilization of networked control systems via profibus token passing protocol[J].Industrial Informatics，IEEE Transactions，2005，1（3）:183－191.

[3]譚積洲，郭濱.MicroBlaze軟核處理器在遙測數據采集中的應用[J].信息與電子工程，2006，4（4）:309－312.TAN Ji-zhou，GUO Bin.Application of MicroBlaze IPCore in the telemetry data acquisition[J].Information and Electronic Engineering，2006，4（4）:309－312.

[4]MieroBlaze Proeessor Reference Guide[EB/OL].[2002－09－16].www.xilinx.com/support/documentation/...manuals/mb_ref_guide.pdf.

[5]Quartus II Version 7.1 Handbook Volume 4:SOPC Builder[EB/OL].[2007－05].http://www.altera.com.cn/literature/lit-sop.Jsp.

[6]Hung M H，Chen Y T.Development Scheme of SoPC-Based Reconfigurable Controllers [C]//2006 IEEE International Conference on Networking，Sensing and Control， ICNSC'06，Institute of Electrical and Electronics Engineers Com-puter Society，2006:492－497.