FPGA在步進電機控制中的應用

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)?？梢酝ㄟ^控制脈沖數(shù)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(diào)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(tǒng)是為實現(xiàn)模具加工智能化控制要求，為企業(yè)設(shè)計的實用性產(chǎn)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(chǔ)上，采集相關(guān)的輸入信號，并實現(xiàn)對所沖模具的有效控制。本文設(shè)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(xù)沖出的鐵芯片，經(jīng)疊壓后，形成所要求的扭槽形狀。控制系統(tǒng)強調(diào)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(wěn)定性好。控制系統(tǒng)選用了兩相混合型步進電機作為位置控制機構(gòu)，通過FPGA的控制，將輸入的脈沖信號線性地轉(zhuǎn)換為位移量，從而控制電機鐵芯的扭槽。
傳統(tǒng)步進電機控制電路的實現(xiàn)多用單片機或?qū)Ｓ媒涌谛酒?，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(xiàn)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(yōu)點。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成
步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由FPGA實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)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(huán)PLL宏模塊電路，它在不同速度控制信號作用下，可將經(jīng)時鐘分頻器分頻后的系統(tǒng)時鐘改變?yōu)椴煌腜WM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(nèi)，脈沖分配器可在不同的方向控制信號下產(chǎn)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(qū)動器的選用步進電機可以用數(shù)字信號直接控制，隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)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(qū)動電源(或驅(qū)動電路)。步進電機及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進電機的運行性能是由電動機和驅(qū)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(shù)有限公司的86BYG250C型兩相混合步進電機，選用的驅(qū)動器是該公司生產(chǎn)的、與86BYG250C型步進電機相配套的MS2H090M型驅(qū)動器。該驅(qū)動器采取先進的細分技術(shù)，使電機運行更加平穩(wěn)。
86BYG250C步進電機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

MS-2H090M型驅(qū)動器的主要性能參數(shù)如表2所示。