分析步进电机 完成控制系统的方案设计

此文介绍了步进电机的控制原理，利用脉冲叠加原理，以Verilog HDL为实体设计输入，设计并实现了一套集成于FPGA内部的步进电机控制系统。该系统可以控制步进电机实现定速、加速、减速，且速率和加速度都能做到连续可调等功能。该方法具有设计简单灵活，体积小，系统稳定等优点，可用于办公自动化（Office Automation）、工厂自动化（Factory Automation）和计算机外部设备等场合。

步进电机又称脉冲电动机，由于其具有易于精确地控制机械的移动量的优点，步进电动机已 经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型。步进电动 机在办公自动化（Office Automation）、工厂自动化（Factory Automation）和计算机外部设备等领域中 广泛地使用。

步进电机控制系统的设计方法主要有模拟控制方式及数字控制方式，其中数字控制方式又可 分为小规模数字电路控制电路、单片机控制电路以及专用逻辑电路等控制方式。模拟控制方式的 控制精度较低，抗干扰能力差，且不易用计算机控制。因此现在步进电机控制系统的设计主要利 用数字控制方式。但是小规模数字电路控制电路的体积较大，单片机控制电路的系统稳定性不高， 而专用逻辑电路的价格又偏高。对此，本论文提出了应用灵活的硬件描述语言Verilog HDL，设计 并实现了一套集成与FPGA 的高精度步进电机控制系统。经过试验和测试，该控制系统可以控制 步进电机实现定速、加速、减速，且速率和加减速度均连续可调等功能。系统除了具有控制精度 高和稳定性强等优点外，还具有体积小、简单灵活、且成本低廉等优点。

1．步进电机控制理论

1.1 控制原理

步进电机是由电脉冲信号控制的机电执行元件，其控制原理如图 1 所示。由图1 可以看出， 步进电机的总旋转角度与输入脉冲总数成正比，而步进电机的转速与每秒的输入脉冲数目（脉冲速率：Pulse rate）成正比。

图 1 所示的为输入脉冲与旋转角之间的关系（注：CW 方向：顺时针方向；CCW 方向：逆时 针方向）。通过步进电机控制原理可以得出结论：设计步进电机控制系统的实质就是设计脉冲信号 产生模块输出电机的控制脉冲。

1.2 控制脉冲发生器

步进电机控制系统的设计关键是设计产生控制步进电机的控制脉冲发生器。在设计中，应用 脉冲叠加原理产生所需的控制脉冲，即：利用各种不同频率的脉冲叠加来获得控制系统所需要的 各种连续可调的不同频率值的输出脉冲。设计过程中用一个16 位的计数器来获得不同频率的脉冲 信号，且要求不同频率的输出脉冲之间不能重叠。16 位计数器的16 种不会重叠频率状态具体如表 1 所示。

有了16 种不同频率而且互相不重叠的脉冲后，就可以从中提取几种来进行叠加，从而得到所 需的连续可调的输出脉冲。由16 种不同频率的脉冲来叠加成0～65535pps（pps：pulse per second） 中任何频率的输出脉冲的原理见下面的公式。

从上图可以看出，只要将脉冲速率的二进制数值写入16 位寄存器，就可以得到相应速率的输 出脉冲。

2．系统设计

系统设计的总体框图如图 3 所示。步进电机的控制系统主要由两个部分组成，即：脉冲产生 模块及其控制模块。

2.1 脉冲产生模块

脉冲产生模块是步进电机控制系统的核心部分，该模块由 16bit 计数器、16 种频率的脉冲产 生模块和脉冲叠加模块组成。在由16bit 计数器计数分频产生16 种频率信号后，根据表1 所示的 不重叠条件产生16 种脉冲，最后根据脉冲叠加原理，利用脉冲叠加模块叠加出连续可调的脉冲控 制信号。其原理框图如图4 所示。

2.2 控制模块

步进电机控制系统的控制模块的主要功能是处理控制系统接收外部信息，如复位信号、电机 转速等信息、控制系统的核心-脉冲产生电路产生控制步进电机的脉冲信号以及系统输出脉冲的总 数和速度。控制模块主要由频率产生模块，总输出脉冲数控制模块和每秒输出的脉冲个数寄存器 更新模块构成。其原理框图如图5 所示。

3．系统检验与测试

在完成系统设计后，应用Quartus Ⅱ软件对系统的功能进行了在线仿真，观察仿真后输出的 控制脉冲信号，调试结果显示基本正确。将该系统的程序烧录到FPGA 芯片－EP1C3T144C8 后， 连接步进电机实际控制其定速、加速、减速转动。试验显示，控制系统控制精确，且速率和加减 速度都能做到连续可调。

4．结论

经过多次系统改进后，论文设计的步进电机控制系统具有较高的控制精度和系统稳定度。且 由于该系统使用了集成芯片作为系统载体，相对于传统的控制设备，具有体积小、灵活性强、且 价格低廉等优点。

本文创新点：该方法具有设计简单灵活，体积小，系统稳定等优点，可用于办公自动化（Office Automation）、工厂自动化（Factory Automation）和计算机外部设备等场合。