步进电机控制器的FPGA实现

O 引 言
随着步进电机广泛地应用于数字控制系统中作为伺服元件，步进电机在实时性和灵活性等性能上的要求越来越高。那么如何灵活、有效地控制步进电机的运转成为研究的主要方向。这里采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，通过VHDL语言编程来实现四相步进电机的控制。利用FPGA设计具有以下优点：
硬件设计软件化 FPGA的开发在功能层面上可以脱离硬件在EDA软件上做软仿真。当功能确定无误后可以进行硬件电路板的设计。最后将设计好的，由EDA软件生成的烧写文件下载到配置设备中去，进行在线调试，如果这时的结果与要求不一致，可以立即更改设计软件，并再次烧写到配置芯片中而不必改动外接硬件电路。进行分层模块设汁后系统设计变得更加简单，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，有利于步进电机的运动控制。
高度集成化，高工作频率 一般的FPGA内部都集成有上百万的逻辑门，可以在其内部规划出多个与传统小规模集成器件功能相当的模块。另外，一般的FPGA内部都有PLL倍频和分频电路模块，这样可以在外部采用较低频率的晶振而在内部获得较高频率的时钟，进一步解决了电磁干扰和电磁兼容问题。

1 步进电机的工作原理
步进电动机是一种自动化执行部件，和数字系统结合可把脉冲数转换成角位移，实现其正转、反转、手动和自动控制。四相步进电机有两组线圈A和B。A，B两组垂直摆放线圈的电流方向的排列组合，最多可以产生8种磁场方向，分别是O°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。表1给出了四相步进电机的8个方向和电流以及电压信号的关系。
四相电动机有3种激磁方式：
一相激磁法：当目标角度是90°的整数倍时，采用这种方法。
二相激磁法：当目标角度是45°，135°，225°，315°的整数倍时，采用这种方法。
一、二相激磁法：即完全按照表1所列的信号顺序。

2 步进电机定位控制器的整体设计
步进电机定位控制器的系统主要由步进电机方向设定电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块以及编码输出模块构成。前两个模块完成电机旋转方向设定、激磁方式和定位角度的换算等工作，后一模块用于对换算后的角度量编码输出。系统框图如图1所示。