基于FPGA技术的步进电机控制的设计

１、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，对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（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　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基本上脱离硬件而在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。

进行分层模块设计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。

２、控制系统的硬件组成
步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。

因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。

由ＦＰＧＡ实现的步进电机控制系统结构如图１所示。

控制系统中的核心芯片是ＦＰＧＡ，如虚线所示。

它由两大功能模块组成：移位定位控制模块和方向控制模块，其中，移位控制模块的核心是锁相环ＰＬＬ宏模块电路，它在不同速度控制信号作用下，可将经时钟分频器分频后的系统时钟改变为不同的ＰＷＭ信号，将此信号作为速度控制模块的变频时钟，可达到改变步进电机速度的目的。

方向控制模块的核心是脉冲分配电路，在每一个变频时钟周期内，脉冲分配器可在不同的方向控制信号下产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机顺时针或
基于FPGA 技术的步进电机控制的设计
杨树兴 锦州市机电工程学校　１２１０１３
图１ 步进电机ＦＰＧＡ控制系统框图
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１０．０８．０３１
逆时针转动。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，将ＦＰＧＡ提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电信号。

ＦＰＧＡ提供给驱动器的信号主要有步进脉冲信号ＣＰ和方向控制信号ＤＩＲ，可用于步进电机的转向控制，通过改变发出的脉冲频率可以进行步进电机的速度控制。

３、步进电机的ＦＰＧＡ的控制
３．１步进电机的加减速控制从步进电机的矩频特性可知，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩就越小，带动负载的能力就越差，启动时容易造成失步，而在停止时又会发生过冲。

要使步进电机快速地达到所
要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。

因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。

特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。

而以前升速和降速大多选择按直线规律，采用这种方法时，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。

在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。

在步进电机的转矩随脉冲频率
的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降，所以直线就不是理想的升降速曲线。

因此，按直线规律升降速这种方法虽然简单，但是它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能最大限度的发挥电机的加速性能。

改变这一状况的办法就是寻求按指数规律升降速的离散控制算法，经多次运行，以达到预期目标。

由步进电机的动力学方程和矩频特性曲线，在忽略阻尼转矩的条件下，可以推导出如下方程：
该方程为步进电机的升速特性，由此可绘制出电机升速曲线，如图２所示。

该方程表明驱动脉冲的频率ｆ应随时间ｔ作指数规律上升，这样就可以在较短的时间内使步进电机的转速上升至要求的运行速度。

鉴于大多数的步进电机的矩频特性都近似线性递减的，所以上述的控制规律为最佳。

将上升段均匀地离散成几段，即为阶梯升速的分档数。

对于每档的上升时间、频率、各分档速度的运行步数及总的升速步数计算出来，并将相应的数据编入程序中。

程序执行过程中，对每一档速度下运行的步数都要进行减１运行，当减至０时，表明该档速度应走的步数已经走完，再进入下一档速度，直至循环到给出的速度大于或等于给定的速度为止。

减速过程与之刚好相反。

３．２步进电机的方向控制
方向控制模块的核心是脉冲分配电路，它的两个输入信号，一个是ＰＷＭ信号构成的变频时钟，每输入一个ＰＷＭ脉冲，脉冲分配器的输出时序将发生一次变化，从而使步进电机转动一步；另一个是方向控制信号，它的不同状态将使脉冲分配器产
图２　指数规律加减速曲线
图３　步进电机方向控制流程图
图１０ ＳＡＧＩＴＴＡ差分信号接收机３）如更换接收机后还收不到差分信号，说明故障有可能出在其他电路或接收天线上，可以找一个工作正常的流动站接到故障车来确认是主机问题还是天线问题，如果是天线问题，则需要检查数传电台天线以及馈线的连接情况是否良好；
４）值得注意的是，当ＧＰＳ接收天线盘有问题时，如果接收到的卫星数达不到要求，ＧＰＳ流动站也无法工作在差分模式下。

图１１中的ＧＰＳ流动站天线盘损坏后，始终只收到两颗卫星，因此无法正常工作，但也显示没有收到差分信号。

图１１ 有故障接收天线盘接收卫星
情况
６．３　ＧＰＳ接收机收不到卫星信号
生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机的转动方向。

若步进电机采用四相八拍的控制方式，定子通电顺序为Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＤ－Ｄ－ＤＡ－Ａ。

则方向控制模块的状态流程图如图３所示。

其中Ｄ＝１表示电机顺时针转动，Ｄ＝０表示电机逆时针转动。

４、结论
当前对步进电机的控制的方法比较多，采用ＦＰＧＡ控制步进电机的方法有效地克服了工作现场的电磁干扰对控制器件的影响，同时由于通过编程的方法使得控制过程具有相当的灵活性，可以满足用户的不同要求，简化了硬件设计，降低了成本。

因此ＦＰＧＡ控制步进电机的方法得到了广泛的应用。

如果所有流动站开机后很长时间ＧＰＳ指示灯不闪烁或接收到的卫星数不够时，请检查：
１）在长期不用或重新复位以及接收机中开机前所保存的坐标与实际位置相差很远时，接收卫星会很慢；
２）环境很差、在树丛里、或两边是高楼大厦，遮挡严重；
３）周围存在大功率电动机或无线电干扰设备；
４）数据电台频率太接近ＧＰＳ数传电台工作频率，或两根天线太靠近。

如果是某个流动站开机后很长时间ＧＰＳ指示灯不闪烁或接收到的卫星数不够时，请检查：
１）在长期不用或重新复位以及接收机中开机前所保存的坐标与实际位置相差很远时，接收卫星会很慢；
２）环境很差、在树丛里、或两边是高楼大厦，遮挡严重；
３）震源本身的电动机、发电机或其他电器设备存在无线电干扰；
４）检查ＧＰＳ卫星接收天线盘馈线连接是否完好，是否松动、短路、断路等；
５）ＧＰＳ卫星接收天线盘是否正常，更换ＧＰＳ天线再试。

７　结束语
本文根据野外操作经验，总结了ＳＡＧＩＴＴＡ在施工中需要注意的各项事项，并搜集了可能出现的各种故障，并对故障进行了分析，提出了解决办法。