用VHDL语言设计的步进电机控制器

用VHDL语言设计的步进电机控制器
摘要：提出了一种利用VHDL 语言设计步进电机控制器的思路，该控制器能够实现速度控制、工作方式选择等多种功能。

对该系统的结构、各模块的功能，综合、仿真进行了详细的论述。

该系统具有修改方便、使用灵活、可靠性高、可移植性强等优点。

关键词：VHDL；步进电机；脉冲分配器；仿真
1 引言
随着电子技术的发展，现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD的出现，使得电子系统的设计者利用与器件相应的电子设计软件，在实验室里就可以设计自己的专用集成电路ASIC器件。

其中电子设计自动化（EDA）的关键技术之一就是可以用硬件描述语言（HDL）来描述硬件电路。

VHDL是用来描述从抽象到具体级别硬件的工业标准语言，它是由美国国防部在80年代开发的HDL，现在已成为IEEE承认的标准硬件描述语言。

VHDL支持硬件的设计、验证、综合和测试，以及硬件设计数据的交换、维护、修改和硬件的实现，具有描述能力强、生命周期长、支持大规模设计的分解和已有设计的再利用等优点。

[1]利用VHDL 这些优点和先进的EDA工具，根据具体的实际要求，将设计一个步进电机控制器电路。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

也就是当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

现场可编程门阵列(FPGA)是对步进电机实现一体化控制的理想选择。

本文主要介绍了利用VHDL语言设计的三相反
应式步进电机驱动电路的设计思路：现场可编程门阵列(FPGA)将接口电路送来的一系列信号，转换成
步进电机的驱动脉冲经过功率放大后送给步进电机，以此控制步进电机的转动方向和速度。

如图1。

图1 步进电机驱动电路原理图
Fig.1 Circuitous philosophy of stepper motor device
2 步进电机控制器原理
步进电机控制器主要由三部分组成，原理如图2。

图2 步进电机控制器原理图
Fig.2 Circuitous philosophy of stepper motor controller
2.1 频率发生器
步进电动机的转动是由脉冲控制的，通过控制脉冲频率即可控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

此处设置了四档调速。

CLK是外部输入频率，P2和P1是分频模式选择，P2、P1：00：外部输入脉冲频率(不分频)；P2、P1：01：对外部输入频率4分频；P2、P1：10：对外部输入频率8分频；P2、P1：11：对外部输入频率16分频；处理过的脉冲信号由CK端送入脉冲分配器。

[2]
2.2 方向锁存器
步进电机的状态分为启动和停止，启动后又分为正转、反转。

据此电机转动控制上设置了三个信号输入端，Z为正转启动脉冲信号，F为反转脉冲信号，T为停止的脉冲信号。

通过方向锁存器将输入的脉冲信号转为电平信号，并且保证信号的唯一性。

根据三相线圈轮流通电方式的不同，三相反应式步进电动机有三相单三拍、三相双三拍、三相六拍等三种通电方式，实际应用中三相单三拍运行方式很少采用，因为这种运行方式每次只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置附近产生摆动，因而稳定性不好。

所以此控制器设置了后两种拍通电方式，M为供电方式的选择，M=1为三相六拍，M=0为三相双三拍。

2.3 脉冲分配器
三相六拍运行的供电方式是：A—AB—B—BC—C—CA—A……一个循环周期换接六次，有六种通电状态，故称三相六拍运行方式。

如果每次都是两相控制绕组同时通电，即按AB—BC—CA— AB……的顺序通电为三相双三拍．根据M的状态，控制脉冲的输出情况。

脉冲分配器设计的主要思路是，设置一个6进制的计数器。

三相六拍正转为1-6循环，反转为6-1循环；三相双三拍正转为2-4-6循环，反转为6-4-2循环。

示意见图3。

[3-5]
图3 脉冲分配器设计思路
Fig.3 Realization scheme of pulse distributor
根据需要先用VHDL语言调试和仿真出频率发生器、方向锁存器、脉冲分配器三个部，按照图4完成顶层文件。

完成整个步进电机控制器的设计。

图4 顶层文件
Fig.4 Top document
鉴于篇幅有限，仅提供脉冲分配器部分的源程序清单如下:
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity mc is
port(inclk: in std_logic;
smzfd: in std_logic_vector(3 downto 0);
outputcba:out std_logic_vector(2 downto 0)); end mc;
architecture arch_mc of mc is
signal sa : std_logic_vector(2 downto 0); begin
process (inclk ,smzfd) is
begin
if (rising_edge(inclk) ) then
if (smzfd="1100") then
if (sa=6) then
sa<="001";
else
sa<=sa+1;
end if;
elsif (smzfd="1010") then
if (sa=1) then
sa<="110";
else
sa<=sa-1;
end if;
elsif (smzfd="1000") then
sa<="000";
elsif (smzfd="0100") then
if (sa=6) then
sa<="010";
else
sa<=sa+2;
end if;
elsif (smzfd="0010") then
if (sa=2) then
sa<="110";
else
sa<=sa-2;
end if;
elsif (smzfd="0000") then
sa<="000";
end if;
end if;
end process;
with sa select
outputcba<="001" when "001", --1
"011" when "010", --2
"010" when "011", --3
"110" when "100", --4
"100" when "101", --5
"101" when "110", --6
"000" when others;--0
end arch_mc ;
3 仿真结果
利用ALTERA公司提供的MAXPLUSII软件对程序进行了编译，适配的FPGA器件为ALTERA公司的EP1K30QC208-3芯片。

仿真部分结果见图5、图6，可看出本程序的设计是正确的。

图5 三相双三拍正转仿真波形
Fig.5 Three-phase with double triple beat in positive
rotation of stimulation wave
图 6 三相六拍正转仿真波形
Fig.6 Three-phase with six-beat in positive rotation of stimulation wave
4 结语
本文介绍了用VHDL语言设计的一种步进电机控制器，根据仿真波形的分析，基本达到了设计初的要求，能完成步进电机两种工作模式的选择，实现步进电机正、反、停的要求，可以实现步进电机频率的控制。

可见利用EDA软件可以缩短设计周期，是一种快捷方便的电路设计方法。

参考文献：
[1] 史小波,程梦璋,许会芳.集成电路设计VHDL教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2] 余少辉.基于FPGA的数字输入式步进电机控制系统设计[J].现代电子技术,2004,186(19):87-88.
[3] 赵京东.双三拍与三相六拍步进电机控制器的GAL电路设计[J].曲阜师范大学学报,2001,1(17):95-96.
[4] 王春侠.基于CPLD的步进电动机控制[J].陕西工学院学报,2003,19(1):24-25.
[5] 吴亮红,成继勋.基于CPLD的可控步进电机脉冲分配器设计[J].控制工程,2005,1(12):94-95.
The Controller of Stepper Motor Designed with
VHDL
Abstract: A realization scheme of control circuit based on VHDL for stepper motor is presented. The controller can realize functions of speed control and work model selection, etc. The framework, the function of each module and design optimization, synthesis, simulation about the program is discussed in details. This system has the features of being easily modified ,good flexibility ,high reliability and powerful transplantable capability.
Key words：VHDL; stepping motor; pulse distributor; simulate。