基于單片機與fpga的多重細分步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)
劉夢亭，羅鵬輝
(吉林大學珠海學院，廣東珠海519041)
摘要：介紹了步進電動機細分控制，提出了基于單片機與fpga控制的pwm細分驅(qū)動技術(shù)，利用單片機來設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。由fpga產(chǎn)生階梯脈沖形成階梯形電壓信號以控制步進電動機每相繞組在各時刻的電壓，從而實現(xiàn)步進電動機轉(zhuǎn)角的任意細分控制。利用vhdl語言編程實現(xiàn)了步進電動機256細分控制器的pwm模塊、速度控制模塊、數(shù)字比較模塊等功能。
關(guān)鍵詞：fpga；vhdl；步進電動機驅(qū)動；細分控制
中圖分類號：tm383．6 文獻標識碼：a 文章編號：1004—7018(2009)11—0037—04
0引 言
步進電動機作為一種電脈沖角位移的轉(zhuǎn)換元件，它受脈沖信號控制，其位移與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比關(guān)系。采用fpga控制步進電動機，利用其中的eab可以構(gòu)成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表和利用fpga設(shè)計的數(shù)字比較器可以同步產(chǎn)生多路pwm電流波形，對多相步進電動機進行靈活的控制。改變控制波形表的數(shù)據(jù)，增加計數(shù)器的位數(shù)，提高技術(shù)精度，從而可以對步進電動機的步進轉(zhuǎn)角進行任意細分，實現(xiàn)步進轉(zhuǎn)角的精確控制。用fpca實現(xiàn)多路pwm控制，無需外接d／a轉(zhuǎn)換器，使外同控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好。用單片機和dsp的控制都難以達到同樣的控制效果。
1系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。利用單片機來設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。由fpga產(chǎn)生階梯脈沖形成階梯形電壓信號以控制步進電動機每相繞組在各時刻的電壓，從而實現(xiàn)步進電動機轉(zhuǎn)角的任意細分控制。利用vhdl語言編程實現(xiàn)了步進電動機256細分控制器的pwm模塊、速度控制模塊、數(shù)字比較模塊等功能。選用兩片l293d驅(qū)動芯片驅(qū)動兩臺兩相／四相步進電動機。
l.1步進電動機細分驅(qū)動硬件部分
根據(jù)對電機細分驅(qū)動的理論研究，提出了基于單片機與fpga控制的多重細分步進電動機驅(qū)動技術(shù)。本系統(tǒng)的硬件電路主要以單片機和fpga為核心器件，其硬件電路的組成如圖2所示。
單片機采用飛利浦p89v53rb2芯片，通過爭片機的po口向fpga發(fā)送控制信號，由于po口是一個8位開漏雙向i／o口，用作程序校驗或通用l／o口時均需連接一個外部上拉電阻。fpga管腳設(shè)定為43～36，主要完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電機、細分數(shù)的設(shè)定，其中s0～s2用來確定細分數(shù)，此三個引腳從000到111分別實現(xiàn)256、128、64、32、16、8、4、2細分，具體情況如表1所示。
本控制器選用的fpga器件為xilinx公司的xc2s15芯片，reset信號用來對fpga復位(“l(fā)”時有效)，clk是存儲器地址計數(shù)器脈沖輸入，上升沿有效。pwmclk是脈寬時鐘，一般接12 mhz，****200mhz。dir是步進電動機的轉(zhuǎn)向信號(“1”為正轉(zhuǎn)，“0”為反轉(zhuǎn))。csl、cs2分別用來控制fpga內(nèi)部步進電動機控制模塊的選定，以達到控制多臺步進電動機的作用。此外，xc2s15具有86個用戶自定義i／0口，解決了單片機i／o口不足的問題，因此可進行多臺步進電動機的控制，并選用兩片1．293d驅(qū)動芯片驅(qū)動兩臺兩相／四相步進電動機。
1．2單片機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
單片機系統(tǒng)主 要完成步進電動機調(diào)速控制、轉(zhuǎn)向、細分數(shù)的設(shè)定。單片機完成步進電動機調(diào)速控制分兩種方式：細分數(shù)不變，改變步進脈沖的頻率和步進脈沖的頻率不變，選擇不同的細分數(shù)，可以實現(xiàn)8種運行速度。步進頻率不變的調(diào)速方式的軟件流程圖如圖  3所示。細分數(shù)不變的調(diào)速方式軟件流程圖如圖4所示。
1．3 fpga設(shè)計與仿真
根據(jù)步進電動機細分驅(qū)動原理，選擇采用pwm脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動，根據(jù)細分精度的要求，決定所需要的****細分電流波形，設(shè)計步距細分的系統(tǒng)構(gòu)成。圖5為步進電動機細分驅(qū)動 |
