摘 要： 在分析步進電機內部結構和工作原理的基礎上，介紹了步進電機控制器邏輯設計思路。控制芯片選用ALTERA公司的高性價比、專用大規模集成電路芯片EPM240T100，實現了步進電機控制系統。
關鍵詞： ASIC；VHDL；步進電機；狀態機
隨著工業自動化程度的逐步提高，步進電機作為工業過程控制及儀表中常用的控制元件之一，已廣泛應用到醫療、工業、精密儀器儀表、光學測量等相關行業。步進電機的控制器主要采用單片機MCU、DSP和可編程邏輯器PLD[1]來實現。鑒于單片機和DSP具有開發周期長、成本高的特點，同時考慮開發者對內部硬件結構和速度的依賴性，因此選擇通用、高效的ASIC芯片，并采用硬件描述語言來開發系統。
1 系統工作原理
1.1 步進電機結構及原理
步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，配以一定的機械裝置可以應用于直線控制、弧度控制等應用領域。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，即按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，其旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制[2]，下面以三相步進電機為例來分析原理和控制器的設計過程[3]。
三相步進電機根據輸出的轉數、力矩及平穩性有3種不同的工作方式，即單三拍、雙三拍和混六拍。分別以A、B、C表示步進電機的輸出三個繞組對，單三拍表示為A→B→C→A，雙三拍表示為AB→BC→CA→AB，混六拍表示為A→AB→B→BC→C→CA→A。由于三種方式的差異只在于控制的相數和狀態的個數不同，因此其他相數的步進電機可以同此分類。本設計以三相六拍步進電機的控制為例，其結構原理圖如圖1所示。
任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的NS極。在定子的每個磁極上(即定子鐵心上的每個齒上)又開了5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9°。轉子上沒有繞組，只有均勻分布的40個小齒，齒槽也是等寬的，齒間夾角也是9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距，如圖2所示。當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，B相磁極上的齒剛好超前(或滯后)轉子齒1/3齒距角，C相磁極齒超前(或滯后)轉子齒2/3齒距角。由此可見，錯齒是使得步進電機旋轉的原因。
時鐘發生電路中由晶體振蕩器產生時鐘信號，頻率要穩定，其穩定度決定步進電機的精準度。電路產生3個不同頻率的時鐘，即3 MHz的掃描時鐘、9 kHz的電機轉速控制時鐘和1 kHz的取樣時鐘[4-5]，分別應用于不同的部分。
控制信號產生電路主要是在1 kHz的取樣時鐘內，對3 MHz的掃描時鐘進行按鍵觸發、按鍵消抖、按鍵編碼和按鍵功能等。
環形脈沖分配電路主要完成對電機工作方式的控制。可以采用狀態機來設計電機的工作模式，如果是三相步進電機，則可以設計為單三拍、雙三拍或混六拍的工作方式。
光耦隔離驅動電路主要完成步進電機的驅動。由于步進電機的繞組電流較大，為防止電機的頻繁啟停等對ASIC芯片的影響，在輸出端加上光電耦合器和達林頓驅動電路。
本設計中脈沖時鐘發生電路、光耦隔離驅動電路和步進電機為EPM240T100片外硬件設計，控制信號產生電路和環形脈沖分配電路為片上硬件設計，采用VHDL語言來完成。其硬件和軟件資源規劃分配圖如圖4所示。
EPM240T100芯片具有192個宏單元和80個用戶可用的引腳，最快速度可以達到4.7 ns。
2 軟件設計
軟件設計采用VHDL語言實現，四大功能模塊程序設計如下。
2.1 分頻計數器模塊
分頻計數器模塊主要產生3 MHz掃描時鐘、9 kHz步進電機調速時鐘和1 kHz取樣時鐘輸出，程序如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity dev_count is
port(
clk: in std_logic;-- 3mhz clock
clk_3m : out std_logic;--count
clk_1k: out std_logic;
clk_9k: out std_logic);
end dev_count;
architecture behavior of dev_count is
signal qscan : std_logic_vector(20 downto 0);
begin
scan_1 :process(clk)
begin
if (clk'event and clk='1') then
qscan<=qscan+1;
end if;
end process;
clk_3m<=qscan(0);
clk_9k<=qscan(9);
clk_1k<=qscan(13);
end behavior;
2.2 按鍵掃描觸發消抖編碼模塊
本模塊主要實現按鍵掃描、延時消抖和編碼譯碼功能，部分程序如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
library work;
entity key4_4 is
port (
clk_3m : in std_logic;
clk_1k : in std_logic;
col : in std_logic _vector(7 downto 0);
key_valid : out std_logic;
butt_code : out std_logic_vector(3 downto 0));
end key4_4;
architecture bdf_type of key4_4 is
component key_scan
port(col : in std_logic_vector (7 downto 0);
scan_cnt : in std_logic_vector (2 downto 0);
key_pressed : out std_logic );
end component;
component debounce
port(key_pressed : in std_logic;
clk_3m : in std_logic;
clk_1k : in std_logic;
key_valid :out std_logic; );
end component;
component scan_count
port(clk_3m : in std_logic;
clk_1k : in std_logic;
key_pressed : in std_logic;
scan_cnt : out std_logic_vector (2 downto 0) );
end component;
component code_tran
port(clk_3m : in std_logic;
key_valid : in std_logic;
scan_cnt : in std_logic_ vector (2 downto 0);
butt_code : out std_logic_ vector (3 downto 0) );
end component;
signal synthesized_wire_5 : std_logic_ vector (2 downto 0);
signal synthesized_wire_6 : std_logic;
signal synthesized_wire_3 : std_logic;
begin
key_valid <= synthesized_wire_3;
b2v_inst : key_scan
port map (col => col,
scan_cnt => synthesized_wire_5,
key_pressed => synthesized_wire_6);
b2v_inst10 : debounce
port map (key_pressed => synthesized_wire_6,
clk_3m => clk_3m,
clk_1k => clk_1k,
key_valid => synthesized_wire_3);
b2v_inst12 : scan_count
port map (clk_3m => clk_3m,
clk_1k => clk_1k,
key_pressed => synthesized_wire_6,
scan_cnt => synthesized_wire_5);
b2v_inst13 : code_tran
port map(clk_3m => clk_3m,
key_valid => synthesized_wire_3,
scan_cnt => synthesized_wire_5,
butt_code => butt_code);
end;
2.3 控制信號產生模塊
本模塊主要功能是根據按鍵輸入的不同設置按鍵的各種功能，從而產生各種控制信號，如啟動停止、正轉反轉、連續單步和加減調速等。程序如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity key_f is
port(
key: in std_logic_vector(3 downto 0);
key_valid:in std_logic;
start_stop: out std_logic;
step_p: out std_logic;
np:out std_logic;
up_down:out std_logic_vector(2 downto 0)
);
end key_f;
architecture a of key_f is
signal up_down_f:std_logic_vector(2 downto 0);
signal np_f:std_logic;
signal step_p_f:std_logic;
signal start_stop_f:std_logic;
begin
process(key_valid)
begin
if key_valid'event and key_valid='0' then
case key is
when"0000"=>
start_stop_f<=not start_stop_f;
when"0001"=>
if up_down_f<"111" then
up_down_f<=up_down_f+1;
end if;
when"0010"=>
if up_down_f>"000" then
up_down_f<=up_down_f-1;
end if;
when"0011"=>
step_p_f<=not step_p_f;
when"0100"=>
np_f<=not np_f;
when others=>
end case;
end if;
end process;
start_stop<=start_stop_f;
step_p<=step_p_f;
np<=np_f;
up_down<=up_down_f;
end a;
2.4 環形脈沖分配模塊
本模塊主要針對控制信號完成步進電機不同功能的輸出，包括速度、相數和拍數，設計過程使用狀態機來完成。程序代碼略。
3 仿真及調試
為了確保設計的正確性、降低硬件設計成本和調試難度,對整個設計進行了仿真，結果如圖5所示。
本設計中的步進電機控制器所有程序都在Quartus II 上通過了軟件仿真，并制作了實際的硬件板。在實際使用時應根據步進電機負載和轉速來選擇步進電機和設計驅動電路，以防步進電機因失步而導致的控制精度不準確。經測試，硬件電路板運行可靠、控制方便，且控制性能良好。本設計的步進電機控制器方法簡單，支持多相步進電機的三種勵磁方式，具有啟動停止、正反轉運行、單步連續、加速減速等多種控制功能。
參考文獻
[1] Zhang Xiaodong，He Junjun，Sheng Chunlei.An approach of microstepping control for the step motors based on FPGA[C].IEEE International Conference on Industrial Technology，2005：125-130.
[2] LE N Q，JEON J W.An open-loop stepper motor driver based on FPGA[C].ICCAS’07，International conference on Control，Automation and Systems，2007：17-20.
[3] 趙俊超.集成電路設計VHDL教程[M].北京：北京希望電子出版社，2002.
[4] 王海華，宋蕾.基于CPLD的步進電機控制器設計[J].微計算機信息，2008，24(10)：99-100.
[5] 馬宏偉.高性能步進電機控制系統的研制[M].西安：西安科技大學出版社，2004.