FPGA在多軸步進電機控制器中的應用研究

摘 要：提出一種運用現場可編程門陣列（FPGA）完結多軸步進電機控制器的方法。選用IP計劃思維，步進電機的運動控制由硬件電路（步進電機IP核）完結，軌跡計算由同一芯片上的微處理器（NiosII軟核）完結，然后可以構建多軸步進電機控制器的可編程片上系統（SoPC系統）。運用FPGA芯片中的嵌入式陣列塊（EAB）構成LPM-ROM來存儲步進電機各相細分電流的數據，并把斬波控制電路集成到FPGA內部，然后提高了系統的集成度和穩定性。選用VHDL言語控制可以根據步進電機的不一樣，改動模塊程序的參數就可以完結不一樣類型步進電機的控制，有利于步進電機的廣泛運用。

關鍵詞：FPGA；多軸步進電機；控制器

步進電機作為一種電脈沖一角位移的變換元件，因為其低價的報價、易于操控及運行時無累積誤差等長處，在工業操控領域中得到了廣泛地使用；但也存在低頻振蕩、噪聲大等缺陷，選用細分恒轉矩驅動技術則能夠極好地解決上述缺陷。文章選用現場可編程門陣列FPGA來取代步進電機細分操控體系中的單片機或數字邏輯有些。軟件都可完成這種插補算法。軟件操控辦法雖然有許多長處，但其插補運算是串行的，因此運算速度不高，在高速度、高精度的體系中，難以達到請求。傳統的步進電機操控多選用單片機操控方法，這種方法是串行操控，在速度和實時性方向受到限制。跟著FPGA器材及其開發體系新技術的開展，基FPGA芯片完成對步進電機聯動操控，顯示出了很大優勢。FPGA的規劃是并行的、多線程的，因此硬件操控成為更適合實時性、高速的作業場合。

1 多步進電機IP核

經過設定其內部寄存器值，步進電機IP核能控制步進電機按設定的速度曲線方法工作。該IP核有3個首要功能模塊構成。

（1）Avalon總線接口：它使該IP核具有Avalon總線接口，可與其它具有相同接口的IP核互聯。

（2）QEP電路：用于聯接一個光電編碼器獲取電機轉子方位等信息，用于差異電機工作是不是失步，使本體系可依據用戶需求成為閉環控制體系。

（3）速度剖面發生：依據設定的速度曲線參數，計算出每個步進脈沖的步進周期，并輸出步進脈沖序列到步進電機驅動器，然后驅動步進電機按設定的速度曲線方法工作。它由狀態機，步進周期計算模塊和PWM電路三有些構成。

2 QEP電路

這篇文章選用增量式光電編碼器作為方位查看設備，其輸出為3路信號，其間兩路為正交的A，B脈沖信號，一路為零位查看脈沖信號Z。在正常作業時，精確的查看轉子方位是非常重要的，通常通過對正交的A，B脈沖進行四倍頻計數，能夠得到轉子的方位。這篇文章計劃的QEP電路如圖2所示，包括數字濾波器、方向區分電路、四倍頻電路和增/減計數器等。其間，數字濾波器用來濾除電機旋轉時在編碼器A，B和Z三相輸出端發作的數字信號噪音。方向區分和四倍頻電路可得到電機轉子的旋轉方向與四倍頻輸出，再通過增/減計數器，便能夠得到（n+1）位的電機轉子方位信號。

3 多模式步進電機控制器設計方案

3.1 工作原理

根據步進電機的工作原理，以三相、四相電機控制器為例，其主要包含3有些功用模塊.數據分配器經過形式挑選信號se（1）、se（2）將外部脈沖送入相應的功用操控模塊；功用模塊是完成功用的中心模塊，經過功用模塊完成不一樣的形式操控；數據挑選器經過形式挑選信號，依據不一樣的形式功用，挑選該功用模塊的信號輸出。共用到4個數據挑選器，數據挑選器臉擇輸出步進電機材目信號輸出，數據挑選器b、c擇輸出步進電機B相和C相信號，連接線方法相同于數據挑選器a這兒省略。數據挑選器喻出步進電機晰目脈沖，只用于四相步進電機，所以只輸入四相電機操控模塊的D3、D4信號，別的輸入端直接接地.本設計可完成8種形式的步進電機操控，如果要完成更多種形式步進電機的操控，只要將1～4數據分配器改為1～8數據分配器，將4選1數據挑選器改為8選1數據挑選器，然后再增加相應的形式操控模塊就可以擴展到16種操控形式。

3.2 控制模塊

顯現模塊顯現的是操控脈沖數，并經過trans信號，顯現電機所轉的圈數。當分頻器發生的脈沖輸入到顯現模塊時，開始計數。實驗渠道DEO開發板僅還有4個數碼顯現管，因而，除掉第一位作為速度檔位0-3的顯現，別的3位用來顯現計數值，規模1-999，當其達到1000時清零重新計數。其間reset和start是體體系一的復位和開始信號，trans是切換脈沖顯現/圈數顯現的信號，clk-in是有操控模塊宣布的操控脈沖，speed_in[1.0]為檔位的信號，digt1，digt2，digt3，digt4分別為4個數碼顯現管操控信號，led[2..0]為變換顯現形式時的led提示的輸出信號。

4 際FPCTA器件上進行工程調試

運用（Quartus2軟件成功編譯規劃工程以后，就可以對Altera器材進行編程或裝備了。（Quartus2編譯器的Assemble模塊主動將適配過程的器材、邏輯單元和引腳分配信息轉換為器材的編程圖畫，并將這些圖畫以SRAM目標文件（.用SOF）的方式保存為編譯文件，（Quartus2軟件的編程器（Programmer運用該文件對器材BYteBlasteMV進行編程裝備.裝備完結便可以下載到FPCTA器材進行調試。

工程調試在GW48SOPC/EDA開發體系上完結.將程序下載到該開發體系中的FPCTA器材EP-ICQ240C8中，參加輸入脈沖，挑選信號用開發器上的模仿開關替代，將模塊輸出信號經過一級功率驅動，能極好完結對各種形式三相和四相的小功率步進電機的操控功用，獲得滿足的作用。

5 結語

提出了一種使用FPGA完成多軸步進電機操控器的辦法。開發了根據特定速度操控戰略的高性能步進電機IP核，包括Avalon總線接口、位置檢查、速度剖面生成、脈沖信號發生等算法模塊。在此基礎上，進一步集成了微處理器、存儲器、通訊模塊等，構建了多軸步進電機操控器的SoPC體系。試驗結果表明該多軸步進電機操控器具有良好的動態特性和穩態精確度。所規劃的具有自主知識產權的IP核通過了充沛的軟硬件仿真和試驗測試，能夠移植到不一樣技術的FPGA平臺中。

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作者簡介：韓新江，身份證號碼：132329197711201012。