FPGA在步進電機控制中的應用

　步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。可以通過控制脈沖數來控制步進電機的角位移量，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的速度和加速度，從而達到調速的目的。由于步進電機控制簡單、運行可靠，所以被廣泛應用于各種控制裝置中。

　　電機鐵芯扭槽疊扣沖壓控制系統是為實現模具加工智能化控制要求，為企業設計的實用性產品，其要求是對高速沖床附加一智能模具控制器，該控制器在不影響沖床原有的運行及控制的基礎上，采集相關的輸入信號，并實現對所沖模具的有效控制。本文設計的控制器要求扭槽模具每沖一片后移動一個步距到達另一個特定位置，再沖另一片，連續沖出的鐵芯片，經疊壓后，形成所要求的扭槽形狀。控制系統強調鐵芯加工過程中的角度位移控制，希望具有足夠高精度的步距角，并且運行穩定性好。控制系統選用了兩相混合型步進電機作為位置控制機構，通過FPGA的控制，將輸入的脈沖信號線性地轉換為位移量，從而控制電機鐵芯的扭槽。

　　傳統步進電機控制電路的實現多用單片機或專用接口芯片，此類方法存在單片機易受電機干擾，專用接口芯片使用靈活性差等缺點。本文提出的利用FPGA實現步進電機控制的方案，具有修改方便、使用靈活、可靠性高、可移植性強等優點。

　　1 控制系統的硬件組成

　　步進電機控制的最大特點是開環控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產生旋轉量的誤差累積。由FPGA實現的步進電機控制系統結構如圖1所示。控制系統中的核心芯片是FPGA，如虛線所示。它由兩大功能模塊組成：a．速度控制模塊，核心是鎖相環PLL宏模塊電路，它在不同速度控制信號作用下，可將經時鐘分頻器分頻后的系統時鐘改變為不同的PWM信號，將此信號作為速度控制模塊的變頻時鐘，可達到改變步進電機速度的目的；b．方向控制模塊，核心是脈沖分配電路，在每一個變頻時鐘周期內，脈沖分配器可在不同的方向控制信號下產生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機順2步進電機及其驅動器的選用步進電機可以用數字信號直接控制，隨著數字控制系統的發展，步進電機的應用也越來越廣泛。

　　步進電機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅動電源(或驅動電路)。步進電機及其驅動電源是一個互相聯系的整體，步進電機的運行性能是由電動機和驅動電源兩者配合所形成的綜合效果。

　　本文選用的是北京斯達微步控制技術有限公司的86BYG250C型兩相混合步進電機，選用的驅動器是該公司生產的、與86BYG250C型步進電機相配套的MS2H090M型驅動器。該驅動器采取先進的細分技術，使電機運行更加平穩。

　　86BYG250C步進電機的主要技術參數如表1所示。

　　MS-2H090M型驅動器的主要性能參數如表2所示。

　　步進電機的驅動器根據控制信號工作，將FPGA提供的弱電信號放大為步進電機能夠接受的強電流信號。FPGA提供給MS-2H090M型驅動器的信號主要有步進脈沖信號CP和方向控制信號DIR，可用于步進電機的轉向控制，如圖2所示，通過改變發出的脈沖頻率可進行步進電機的速度控制。

　　MS-2H090M型驅動器用于驅動二相或四相混合式步進電機。電機的出線方式不同，與驅動器的連接也不同。在該控制系統中采用的電機86BYG250C為兩相四根線電機，接法如圖3所示。

　　3 步進電機的FPGA控制

　　3．1 步進電機的速度控制

　　在步進電機控制系統中，升速過程由突跳頻率加升速曲線組成(減速過程反之)。突跳頻率是指步進電機在靜止狀態時突然施加的脈沖頻率fo必須小于啟動頻率fh，此頻率不可太大，否則也會產生堵轉和丟步。所以步進電機在啟動時，必須有升速過程，在停止時必須有減速過程。在本控制系統中，根據FPGA的性能特點，變速曲線采用直線細分原理，控制效果較好。步進電機加速過程中的頻率變化曲線如圖4所示。對應于啟動頻率的上升，直線可以變化N個臺階，將頻率細分為N個值，用來驅動步進電機平滑啟動和停止，可防止失步和過沖現象。

　　3．2 步進電機的方向控制

　　方向控制模塊的核心是脈沖分配電路，它有兩個輸入信號：一個是PWM信號構成的變頻時鐘，每輸入一個PWM脈沖，脈沖分配器的四相輸出時序將發生一次變化，從而使步進電機轉動一步；另一個是方向控制信號，它的不同狀態將使脈沖分配器產生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機的轉動方向。根據四相八拍的控制方式，定子通電順序為(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。本系統采用了Mealy型狀態機描述方法，狀態取值依次是：SO=“0001”，S1=“0011”，S2=“0010”，S3=“0110”，S4=“10100”，S5=”110O”，S6=“1000”，S7=”1001”。按照控制時序的要求，用‘1’表示該繞組加電，‘0’表示該繞組斷電。方向控制模塊的狀態流程圖如圖5所示。

　　4 結論

　　步進電機是一種易于精確控制的電機，由于其良好的性能而得到廣泛應用，其控制方法也多種多樣。本文介紹了在電機鐵芯扭槽疊扣沖壓控制系統中，使用FPGA控制步進電機的方法，該系統成本不高。通過編程方法，不但可以在一定范圍內自由設定步進電機的轉速，往返轉動的角度以及轉動次數等，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態，以滿足不同用戶的要求，簡化了線路，降低了成本。