步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特殊电机,每改变一次通电状态,步进电机的转子就转动一步。目前大多数步进电机控制器需要主控制器发送时钟信号,并且要至少一个I／O口来辅助控制和监控步进电机的运行情况。在单片机或DSP的应用系统中,经常配合CPLD或者FPGA来实现特定的功能。本文介绍通过FPGA实现的步进电机控制器。该控制器可以作为单片机或DSP的一个直接数字控制的外设,只需向控制器的控制寄存器和分频寄存器写入数据,即可实现对步进电机的控制。
1 步进电机的控制原理
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此
在嵌入式系统和ARM技术领域，基于FPGA的步进电机控制器设计是一个重要的实践应用。FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其高度可配置性和灵活性，常被用于实现复杂的逻辑控制功能，比如步进电机的精确控制。步进电机是一种特殊的电机，能够将接收到的电脉冲信号转化为精确的角位移，每输入一个脉冲，电机就会转动固定的角度，这使得它在需要精确定位和运动控制的场合中非常有用。
步进电机的控制原理主要依赖于脉冲信号的输入。电机的旋转角度取决于脉冲的数量，而转速则由脉冲的频率决定。通常，步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。控制器通过产生控制脉冲来决定电机的换相顺序，从而控制电机的转动方向；同时，通过调整脉冲频率，可以实现对电机速度的调节。例如，四相步进电机在单四拍工作模式下，A、B、C、D相的通断顺序决定了电机的正转或反转。
基于FPGA的步进电机控制器设计中，控制器通常包含外部接口电路和内部原理模块。外部接口一般有数据线、片选信号、写信号、复位信号、地址线、时钟输入和相位输出等，用于与主控制器如单片机或DSP进行通信。内部原理主要包括命令字寄存器、分频系数备份寄存器、分频器以及相位输出状态机。命令字寄存器用于设置控制器的工作模式和初始化，分频系数备份寄存器存储分频系数，分频器根据此系数将输入时钟分频，产生适合步进电机的控制时钟，而相位输出状态机则根据设定的驱动方式（如单四拍、双四拍）控制电机的相位变化。
分频器设计是控制器的核心部分，它接收分频系数并产生所需的控制时钟。例如，对于12 MHz的输入时钟，通过分频可以得到6 MHz到183 Hz的输出频率，这足以覆盖步进电机的启动、加速和稳定运行的各种速度需求。对于1.8°步距角的电机，这个频率范围可以满足不同速度控制的需求。
基于FPGA的步进电机控制器设计提供了高效且灵活的步进电机控制方案，允许开发者通过编程直接控制电机的运行状态，无需额外的硬件接口。这种设计简化了系统架构，提高了控制精度，并且可以通过软件更新来适应不同的应用场景，体现了嵌入式系统和FPGA技术在现代工业控制中的强大潜力。
