步进电机控制系统的设计方案

如果在控制电路中严格按照电流分配系数来控制各个通电状态，则能够保证细分后的每一小步的控制精度相等。因此本文采用按等步距角的细分方式。

2步进电机细分控制硬件的实现

为了实现步进电机的等步距角细分，本文采用脉冲宽度调制(PWM)的方式来实现。PWM 就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲。这些脉冲综合在一起即可形成等效的正弦波、方波等预期的波形。而等效输出波形的质量与脉冲的步距有关，即同一时刻输出的PWM路数越多，则脉冲密度越高，则输出等效波形的质量就越好。而传统的步进电机控制系统多采用单片机作为微处理器，而单片机是单线程的微处理器，同一时刻只能执行一条命令，也即是同一时刻只能产生一路PWM信号，因此输出波形质量较差，从而导致步进电机的控制精度偏低。而FPGA的运算速度远远高于单片机的运算速度，且通过模块化设计可以使其处于多线程工作模式，即可以同时产生多路PWM信号，提高了输出等效波形的质量。本文中选取Altera公司2004年推出了新款Cyclone Ⅱ系列FPGA器件作为开发平台，同时输出8路PWM信号，控制实现四相步进电机的16细分。同时利用串口模块与上位机相连以实现人机交互。系统原理图如图4所示。

该控制系统中采用总线控制方式，利用片选信号依次控制4路PWM锁存器的通断，这样可以简化硬件电路和软件设计。以A相控制为例，当片选A为高电平而其他几路片选为低时，A 路PWM 锁存器工作而其他几路PWM锁存器休眠。根据公式(8)计算出细分的电流分配系数，进而转化成控制PWM信号的占空比，同时开通几路锁存器，通过锁存器输出驱动步进电机。

3 步进电机细分控制软件的设计

本设计中采用Quartus Ⅱ软件开发平台和Verilog设计语言进行控制软件的设计。系统中需要在FPGA 内利用线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Regis-ters)来实现随机数的产生，控制步进电机的随机取样转动，本系统中最核心的PWM控制模块设计如下：

4 系统测试

系统设计完成后，对整个系统进行测试和检验。

PWM控制系统的仿真结果如图5 所示，观察仿真输出波形可知控制脉冲输出正确。将程序固化到FPGA 硬件中之后，将被控的四相反应式步进电机连接上，并通过串口将FPGA与上位机相连，由上位机输出命令控制步进电机的转速、转向、转动角度等。

5 结语

本文提出了一种基于FPGA的步进电机控制系统的设计方案。该方案利用FPGA控制速度快、可靠性强等特点，利用等步距细分原理和PWM控制技术，设计出了高灵活性、可人机交互、分辨率高的步进电机控制系统。验证结果表明，该控制系统实现了步进电机等步距角的16级细分，并通过人机交互实现了任意改变各相顺序的主要技术指标，控制精度高，可靠性强。从而证实了该方案的可行性。