基于FPGA的步进电机控制器研究和实现

2．3．4 各模块集成
各功能模块设计完成后，用原理图的输入法生成总的功能模块，实现设计功能，最后生成的顶层电路图如图10所示。

3 系统调试
3．1步进电机总模块时序仿真调试及分析
总模块在QuartusⅡ6．1软件环境下编译通过，再进行总体仿真。
图11中各信号的定义为u_d为步进电机正、反转控制；clock0为步进电机转动速度控制；clock5为PWM计数时钟；s=1为细分；s=0为非细分。Y[3．．0]分别对应步进电机的4个相，即DP，CP，BP，AP；s为选择细分控制。

图11给出了步进电机无细分仿真波形图。图12给出了步进电机从A相(1000即8)→AB相(1100即12)→B相(0100即4)→BC相(0110即6)→相C(0010即2)→CD相(0010即3)→D相(0001即1)→DA相(1001即9)→…的工作过程仿真波形。通过图12可以清楚地看到，首先步进电机A相导通，B，C，D相截止；然后B项的数据逐渐增大，从1增大到4，电机中的磁场经过4拍从A相转到了AB相，再经过4拍，A相的数据逐渐减小，电机中的磁场从AB相转到B相。从A到AB再到B共经过了8拍，实现了步距角的8细分。图13给出了步进电机反转8细分仿真波形图。
步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。2个脉冲的间隔越短，步进电机转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。从图14可以看出，当改变输入脉冲clock0的周期时，A，B，C，D四相绕组的高低电平宽度将发生变化，它将导致通电和断电的变化速率发生变化，随之使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。

由图14与图15的对比可知，通过减少clock0周期，步进电机控制器的运行速度明显加快。通过以上对步进电机的仿真分析可知，该设计实现了对步进电机的各种基本控制。

3．2 下栽到实际FPGA器件上进行工程调试
各模块经过编译优化后，就要选择合适的目标芯片进行综合、管脚配置。该系统选用Altera公司的高性价比Cyclone系列FPGA芯片，型号为EP1C6Q240C8，芯片在32 678 Hz下工作，将实验板GW48-PK3的JTAG PORT接口和下载接口USBBlaster用数据线连接，最后打开板子的电源。
在该硬件环境中，通过键7可以控制步进电机的正、反转，键8可以选择步进电机的细分／非细分功能，这证明该设计完成了步进电机细分驱动控制器的设计要求，最终取得了令人满意的结果。

4 结语
该系统以FPGA为核心部件，根据步进电机的工作原理，利用EDA技术实现了步进电机的细分驱动控制。采用VHDL语言并根据步进电机的不同，改变模块程序的参数，实现不同型号的步进电机控制。在系统设计过程中，力求硬件简单，并充分发挥VHDL语言软件编程灵活方便和FPGA快速的特点来满足系统设计要求，同时大大缩短系统的开发时间和成本。