摘 要：提出一種运用现场可编程门阵列（FPGA）完结多轴步进电机控制器的方法。选用IP计划思维，步进电机的运动控制由硬件电路（步进电机IP核）完结，轨迹计算由同一芯片上的微处理器（NiosII软核）完结，然后可以构建多轴步进电机控制器的可编程片上系统（SoPC系统）。运用FPGA芯片中的嵌入式阵列块（EAB）构成LPM-ROM来存储步进电机各相细分电流的数据，并把斩波控制电路集成到FPGA内部，然后提高了系统的集成度和稳定性。选用VHDL言语控制可以根据步进电机的不一样，改动模块程序的参数就可以完结不一样类型步进电机的控制，有利于步进电机的广泛运用。

关键词：FPGA；多轴步进电机；控制器

步进电机作为一种电脉冲一角位移的变换元件，因为其低价的报价、易于操控及运行时无累积误差等长处，在工业操控领域中得到了广泛地使用；但也存在低频振荡、噪声大等缺陷，选用细分恒转矩驱动技术则能够极好地解决上述缺陷。文章选用现场可编程门阵列FPGA来取代步进电机细分操控体系中的单片机或数字逻辑有些。软件都可完成这种插补算法。软件操控办法虽然有许多长处，但其插补运算是串行的，因此运算速度不高，在高速度、高精度的体系中，难以达到请求。传统的步进电机操控多选用单片机操控方法，这种方法是串行操控，在速度和实时性方向受到限制。跟着FPGA器材及其开发体系新技术的开展，基FPGA芯片完成对步进电机联动操控，显示出了很大优势。FPGA的规划是并行的、多线程的，因此硬件操控成为更适合实时性、高速的作业场合。

1 多步进电机IP核

经过设定其内部寄存器值，步进电机IP核能控制步进电机按设定的速度曲线方法工作。该IP核有3个首要功能模块构成。

（1）Avalon总线接口：它使该IP核具有Avalon总线接口，可与其它具有相同接口的IP核互联。

（2）QEP电路：用于联接一个光电编码器获取电机转子方位等信息，用于差异电机工作是不是失步，使本体系可依据用户需求成为闭环控制体系。

（3）速度剖面发生：依据设定的速度曲线参数，计算出每个步进脉冲的步进周期，并输出步进脉冲序列到步进电机驱动器，然后驱动步进电机按设定的速度曲线方法工作。它由状态机，步进周期计算模块和PWM电路三有些构成。

2 QEP电路

这篇文章选用增量式光电编码器作为方位查看设备，其输出为3路信号，其间两路为正交的A，B脉冲信号，一路为零位查看脉冲信号Z。在正常作业时，精确的查看转子方位是非常重要的，通常通过对正交的A，B脉冲进行四倍频计数，能够得到转子的方位。这篇文章计划的QEP电路如图2所示，包括数字滤波器、方向区分电路、四倍频电路和增/减计数器等。其间，数字滤波器用来滤除电机旋转时在编码器A，B和Z三相输出端发作的数字信号噪音。方向区分和四倍频电路可得到电机转子的旋转方向与四倍频输出，再通过增/减计数器，便能够得到（n+1）位的电机转子方位信号。

3 多模式步进电机控制器设计方案

3.1 工作原理

根据步进电机的工作原理，以三相、四相电机控制器为例，其主要包含3有些功用模块.数据分配器经过形式挑选信号se（1）、se（2）将外部脉冲送入相应的功用操控模块；功用模块是完成功用的中心模块，经过功用模块完成不一样的形式操控；数据挑选器经过形式挑选信号，依据不一样的形式功用，挑选该功用模块的信号输出。共用到4个数据挑选器，数据挑选器脸择输出步进电机材目信号输出，数据挑选器b、c择输出步进电机B相和C相信号，连接线方法相同于数据挑选器a这儿省略。数据挑选器喻出步进电机晰目脉冲，只用于四相步进电机，所以只输入四相电机操控模块的D3、D4信号，别的输入端直接接地.本设计可完成8种形式的步进电机操控，如果要完成更多种形式步进电机的操控，只要将1～4数据分配器改为1～8数据分配器，将4选1数据挑选器改为8选1数据挑选器，然后再增加相应的形式操控模块就可以扩展到16种操控形式。

3.2 控制模块

显现模块显现的是操控脉冲数，并经过trans信号，显现电机所转的圈数。当分频器发生的脉冲输入到显现模块时，开始计数。实验渠道DEO开发板仅还有4个数码显现管，因而，除掉第一位作为速度档位0-3的显现，别的3位用来显现计数值，规模1-999，当其达到1000时清零重新计数。其间reset和start是体体系一的复位和开始信号，trans是切换脉冲显现/圈数显现的信号，clk-in是有操控模块宣布的操控脉冲，speed_in[1.0]为档位的信号，digt1，digt2，digt3，digt4分别为4个数码显现管操控信号，led[2..0]为变换显现形式时的led提示的输出信号。

4 际FPCTA器件上进行工程调试

运用（Quartus2软件成功编译规划工程以后，就可以对Altera器材进行编程或装备了。（Quartus2编译器的Assemble模块主动将适配过程的器材、逻辑单元和引脚分配信息转换为器材的编程图画，并将这些图画以SRAM目标文件（.用SOF）的方式保存为编译文件，（Quartus2软件的编程器（Programmer运用该文件对器材BYteBlasteMV进行编程装备.装备完结便可以下载到FPCTA器材进行调试。

工程调试在GW48SOPC/EDA开发体系上完结.将程序下载到该开发体系中的FPCTA器材EP-ICQ240C8中，参加输入脉冲，挑选信号用开发器上的模仿开关替代，将模块输出信号经过一级功率驱动，能极好完结对各种形式三相和四相的小功率步进电机的操控功用，获得满足的作用。

5 结语

提出了一种使用FPGA完成多轴步进电机操控器的办法。开发了根据特定速度操控战略的高性能步进电机IP核，包括Avalon总线接口、位置检查、速度剖面生成、脉冲信号发生等算法模块。在此基础上，进一步集成了微处理器、存储器、通讯模块等，构建了多轴步进电机操控器的SoPC体系。试验结果表明该多轴步进电机操控器具有良好的动态特性和稳态精确度。所规划的具有自主知识产权的IP核通过了充沛的软硬件仿真和试验测试，能够移植到不一样技术的FPGA平台中。

参考文献

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[2] 张荣.基于单片机的超声波测距器设计[J].科技信息， 2010（31）：87-88.

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[4] 鲍里先科.AN.电机中的空气动力学与热传递[M].机械工业出版社，2015.

作者简介：韩新江，身份证号码：132329197711201012。