詳解步進電機控制器的設(shè)計

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特殊電機，每改變一次通電狀態(tài)，步進電機的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一步。目前大多數(shù)步進電機控制器需要主控制器發(fā)送時鐘信號，并且要至少一個I／O口來輔助控制和監(jiān)控步進電機的運行情況。在單片機或DSP的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常配合CPLD或者FPGA來實現(xiàn)特定的功能。本文介紹通過FPGA實現(xiàn)的步進電機控制器。該控制器可以作為單片機或DSP的一個直接數(shù)字控制的外設(shè)，只需向控制器的控制寄存器和分頻寄存器寫入數(shù)據(jù)，即町實現(xiàn)對步進電機的控制。

1 步進電機的控制原理

步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機(簡稱“VR”)、永磁式步進電機(簡稱“PM”)和混合式步進電機(簡稱“HB”)。

步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。

步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由各類控制器來產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

①控制換相順序，通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進電機的單四拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷，控制步進電機的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進電機正轉(zhuǎn)；如果按反序換相通電，則電機就反轉(zhuǎn)。
②控制步進電機的速度。如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。

2 控制器的總體設(shè)計

控制器的外部接口電路如圖1所示。各引腳的功能如下：

控制器的內(nèi)部原理框圖如圖2所示，由命令字寄存器(Cmd_reg)、分頻系數(shù)備份寄存器(fdiv_back)、分頻器、相位輸出狀態(tài)機組成。