VHDL-步进电机控制

1用VHDL语言设计的步进电机控制器施纪红（健雄职业技术学院计算机工程系，江苏太仓215411）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；仿真中图分类号：TN702；TH39文献标识码：A1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.1Circuitousphilosophyofsteppermotordevice2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。2图2步进电机控制器原理图Fig.2Circuitousphilosophyofsteppermotorcontroller2.1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.3Realizationschemeofpulsedistributor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。3图4顶层文件Fig.4Topdocument鉴于篇幅有限，仅提供脉冲分配器部分的源程序清单如下:libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitymcisport(inclk:instd_logic;smzfd:instd_logic_vector(3downto0);outputcba:outstd_logic_vector(2downto0));endmc;architecturearch_mcofmcissignalsa:std_logic_vector(2downto0);beginprocess(inclk,smzfd)isbeginif(rising_edge(inclk))thenif(smzfd=1100)thenif(sa=6)thensa=001;elsesa=sa+1;endif;elsif(smzfd=1010)thenif(sa=1)thensa=110;elsesa=sa-1;endif;elsif(smzfd=1000)thensa=000;elsif(smzfd=0100)thenif(sa=6)thensa=010;elsesa=sa+2;endif;elsif(smzfd=0010)thenif(sa=2)thensa=110;elsesa=sa-2;endif;elsif(smzfd=0000)thensa=000;4endif;endif;endprocess;withsaselectoutputcba=001when001,--1011when010,--2010when011,--3110when100,--4100when101,--5101when110,--6000whenothers;--0endarch_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.5Three-phasewithdoubletriplebeatinpositiverotationofstimulationwave图6三相六拍正转仿真波形Fig.6Three-phasewithsix-beatinpositiverotationofstimulationwave4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):95-96.5[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.TheControllerofStepperMotorDesignedwithVHDLSHIJi-hong(DepartmentofComputerEngineering，Chien-shiungInstituteofTechnology,Taicang215411,China)Abstract:ArealizationschemeofcontrolcircuitbasedonVHDLforsteppermotorispresented.Thecontrollercanrealizefunctionsofspeedcontrolandworkmodelselection,etc.Theframework,thefunctionofeachmoduleanddesignoptimization,synthesis,simulationabouttheprogramisdiscussedindetails.Thissystemhasthefeaturesofbeingeasilymodified,goodflexibility,highreliabilityandpowerfultransplantablecapability.Keywords：VHDL;steppingmotor;pulsedistributor;simulate作者简介：施纪红（1976-），女，江苏镇江人，健雄职业技术学院计算机工程系讲师，主要研究方向为单片机开发。