第46卷第2期厦门大学学报(自然科学版)Vol.46No.22007年3月JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)Mar.2007基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究洪永强,林华星(厦门大学机电工程系,福建厦门361005)摘要:提出一种在多用途步进电机运动控制系统中应用现场可编程门阵列(FPGA)实现多台步进电机可变细分脉冲分配器的方法.按照运动控制系统的多用途特性要求和可逆循环计数寻址EPROM的思想设计可变细分控制策略,将控制步进电机运转的矩形脉冲波通过细分代码转换成阶梯近似、幅值恒定的正弦、余弦波.利用VerilogHDL硬件描述语言,并运用MAX+plusII开发软件,在单片FPGA上实现了多台步进电机的脉冲分配器,负责细分代码的生成与输出,并在FPGA片内集成了大部分的MCU外围接口电路,包括MCU的译码电路、键盘和中断接口电路,使MCU软件结构和外围电路大为简化.结果表明,系统扩展方便,可移植性高,具有广泛的适应性.关键词:步进电机;细分控制;现场可编程门阵列;硬件描述语言中图分类号:TP64文献标识码:A文章编号:043820479(2007)0220194205可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice,(ASIC),不但价格昂贵,而且其所采用的集成技术由PLD)是近几年集成电路家族中发展最快的产品之一.于涉及到微电子技术、集成电路加工技术、电力电子技PLD内部由许多独立的可编程逻辑模块组成,相对传术的前沿,在我国目前情况下暂不能实现[3].采用集成统分立元件和专用IC,PLD应用更灵活,保密性更强.加分立元件开发高性能控制、驱动系统是比较适合我PLD厂商为用户提供了各种IP核,且可由用户剪裁,国国情的.基于上述考虑,本系统采用单片机+现场可大大简化了开发流程[1],使得PLD受到全世界电子设编程门阵列(MCU+FPGA)为硬件电路的基础架构.计工程师的普遍欢迎.目前国内外广泛应用的PLD是现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,1系统的多用途特性FPGA)和复杂可编程逻辑器件(ComplexPLD,在不同的步进电机应用场合,对运动控制系统的CPLD).本文将FPGA在数字电路设计方面尤其是时具体要求,如电机的转速、输出功率、控制精度、开环或序逻辑电路设计方面的优势,应用到具有多用途特性闭环控制等方面也大不相同.通常用户必须根据步进的步进电机运动控制系统中.电机的实际应用情况购买或定制适用的控制器,这不步进电机(StepMotor)作为开环控制元件广泛应仅增加了成本,也造成了开发工作的重复.因此,本设用于仪器仪表、机电一体化等方面,但受到自身制造工计的研究重点在于运动控制系统的“多用途”这一特艺的限制,它的步距角一般较大且是固定的,步进分辨性,使系统可根据用户在上位机中进行的设定,同时对率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动.这些缺点使步1～3台两相或四相步进电机在一维至三维系统中进进电机应用于要求较高的场合时,只能采取闭环控制,行运动控制,而且可实现电机四拍工作方式的正常脉增加了系统的复杂性,严重限制了步进电机作为优良冲驱动(即细分数为一)和对步距角的可变细分驱动的开环控制组件的有效利用[2].步进电机的细分控制(二细分至六十四细分),以满足不同维度和不同精度是一种可以显著改善电机综合使用性能的驱动控制技的运动控制要求.同时可根据用户需要处理反馈信息,术,可以在一定程度上有效地克服上述缺点,目前,国形成闭环控制系统,提高电机动作的精确度和系统的内外在该技术领域的研究十分活跃.国外在该领域当通用性与灵活性.前的发展方向主要是大量采用高性能的专用芯片用户可在上位机软件中最多设置8组工作模式MODE0～MODE7.一组工作模式包括步进电机收稿日期:2006206229一连串可持续的动作,其中电机的运动台数、转向、转基金项目:国家自然科学基金(50675184),厦门大学创新团队发展速及细分权值都是可变的若需要根据现场情况和人计划(IRTXMU)资助.Email:hongyq@xmu.edu.cn工判断才可进行的下续动作,则应归入另一组工作模第2期洪永强等:基于现场可编程门阵列的步进电机运动控制系统设计研究·591·式.用户设置完工作模式后,可通过串行通信模块将上系统处于通信下载状态时,用于与上位机进行通信;当位机软件计算所得数据下载至运动控制系统的存储器系统处于控制电机状态时,用于控制液晶显示.中.此后,本系统可脱离PC机,由单片机运行电机控(5)人机交互模块:包括按键、液晶显