基于NiosII軟核處理器的步進電機接口設(shè)計

馮新宇，蔣洪波，欒 兵

（1.黑龍江科技學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150027；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)成棟學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025）

電子技術(shù)發(fā)展日新月異，控制技術(shù)也發(fā)生了革命性的變化，特別是SOC技術(shù)的發(fā)展，文中主要研究的是遠程控制系統(tǒng)中步進電機控制模塊設(shè)計[1-2]。首先，根據(jù)控制功能的要求設(shè)計了步進電機控制模塊，該模塊采用一種脈沖疊加算法，實現(xiàn)了對步進電機任意頻率變速[1]；然后，將該模塊封裝到SOPCBuilder的標準模塊庫中；最后，利用SOPC技術(shù)，在Altera公司的Cyclone II EP2C35芯片上集成了Nios II軟核，相關(guān)的外圍控制器和自定義的電機控制模塊，完成了該設(shè)計的驗證工作。

1 基本原理

步進電機是一種把電脈沖信號變換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的轉(zhuǎn)子做成多極的，定子上嵌裝有多相不同連接的控制繞組，有專用電源供電。每輸入一個脈沖，步進電機就前進一步，故又叫做脈沖電動機。其角位移量與脈沖數(shù)成正比；線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。

本文是針對的四相反應(yīng)式步進電機而設(shè)計的控制器，它的定子磁極上增加了小齒，轉(zhuǎn)子也做成多極的，定、轉(zhuǎn)子的齒距相同，齒數(shù)也適當(dāng)?shù)呐浜稀＿@樣，在一對磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒在對正時，下一相繞組下的定轉(zhuǎn)子齒錯開t/m（t為齒間距，m為相數(shù)），再下一相繞組下定、轉(zhuǎn)子齒錯開2 t/m，并以此類推，在定子磁場的作用下，由于轉(zhuǎn)子力圖取最大的磁導(dǎo)位置，所以每一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相當(dāng)t/m齒矩的角度（步距角）：

式中:N——轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個齒矩的運行拍數(shù)；

ZR——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

步進電機的轉(zhuǎn)速為：

式中：f——脈沖頻率（Hz）；n——轉(zhuǎn)速（r/min）。

步進電機常用的有四相，也有三、五、六甚至更多相。相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步矩角就越小，在同樣的脈沖頻率下，轉(zhuǎn)速越低。

2 電機控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 概述

步進電機控制主要由電機控制器和電機驅(qū)動器兩部分組成，如圖1所示。其中，電機控制器用于控制產(chǎn)生脈沖，電機驅(qū)動器用于控制輸出信號的功率放大。本文主要設(shè)計電機控制器。從圖1可知，在電機控制器中含Avalon總線接口。在整個Nios II系統(tǒng)中電機控制器作為一個從設(shè)備使用。

圖1 步進電機控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of step motor controller

電機控制系統(tǒng)的工作過程是：當(dāng)控制電機的命令信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出，傳給NiosII后，Nios II通過Avalon總線將信號傳給電機控制器，將這個信號作為電機控制器中controller的輸入，然后電機控制器會自動的輸出4相控制步進電機的脈沖信號，這些信號再經(jīng)過電機的驅(qū)動器的功率放大后，就可以直接驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。可以看出其中的controller是整個電機控制模塊的核心。這里的contorller模塊又由3部分組成：脈沖發(fā)生控制器、脈沖發(fā)生器、脈沖分相器。脈沖發(fā)生控制器主要是為脈沖發(fā)生器提供基準脈沖和和標記脈沖個數(shù)的寄存器值。然后通過脈沖分相器的作用來控制電機的脈沖信號CP。

2.2 脈沖發(fā)生器方案的提出

根據(jù)整個系統(tǒng)的設(shè)計要求，電機控制器需具有基準時鐘65 536 Hz；輸出脈沖的個數(shù)設(shè)定范圍 1～16 777 215；輸出脈沖的速率設(shè)定范圍1－65 535 pps。根據(jù)上面的要求，所以需要用一個16位的計數(shù)器來實現(xiàn)不同脈沖的信號的輸出，而不同頻率的輸出脈沖之間不能重疊。

有了16種不同的頻率而且互不重疊的基脈沖后，就可以提取16種頻率的脈沖作為疊加脈沖，從而得到0～65 535范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)的脈沖頻率[3]。

式中:f為要得到的頻率；fi為各個疊加頻率；f0基準脈沖；rn－（i+1）第 n－（i+1）個寄存器。

文中取n=16，所以16個寄存器組成的16位二進制數(shù)的范圍就是 0000～FFFF。根據(jù)公式（3）、（4）可知，只要 f0等于65 536 Hz，那么通過改變二進制數(shù)（r15～r0），輸出 f就連續(xù)可調(diào)。該電路也就是脈沖發(fā)生器（step_wave）中的核心電路。

2.3 電機控制模塊設(shè)計

一般步進電機的控制器可以通過單片機來實現(xiàn)，本文電機控制模塊是用verilog HDL語言實現(xiàn)、以IP模塊的形式封裝在SOPCBuilder的IP模塊庫中，它是可以被Nios II系統(tǒng)直接調(diào)用的。圖2為電機控制模塊的設(shè)計層次圖。

圖2 電機控制模塊設(shè)計層次圖Fig.2 The hierarchical structure of motor controller

1）脈沖控制器

根據(jù)脈沖控制器要實現(xiàn)的功能，可以確定脈沖控制器主要是由以下幾個小模塊構(gòu)成：標準頻率產(chǎn)生模塊；總輸出脈沖數(shù)控制模塊；輸出的脈沖個數(shù)寄存器更新模塊。

2）脈沖發(fā)生器

脈沖發(fā)生器的功能是產(chǎn)生需要的脈沖序列，經(jīng)過分析后知道，此部分主要由以下幾個模塊構(gòu)成：

①16 bit計數(shù)器，脈沖發(fā)生器最終輸出的脈沖其實是由1/2CLK、1/4CLK、1/8CLK…1/32 768CLK這 16種脈沖組合實現(xiàn)，CLK是由step_control分頻得到基準時鐘。為了實現(xiàn)這16種頻率的脈沖，需要16bit的計數(shù)器。16bit計數(shù)器的產(chǎn)生16種狀態(tài)，保持16種基頻的狀態(tài)唯一。

②基頻產(chǎn)生模塊，由公式（3）、（4）可知，這 16種脈沖其實是以16bit計數(shù)器的16種不會重疊的狀態(tài)為條件而產(chǎn)生的。

③脈沖疊加，脈沖疊加模塊，用來把這16種脈沖疊加起來，得到需要合成的輸出。最終合成的輸出控制可由16個兩輸入與門來實現(xiàn)，一端接輸出脈沖，另一端接對應(yīng)的脈沖個數(shù)寄存器。

3）脈沖分相器

由于是四相步進電機，并以單拍的方式運行，所以在最后從脈沖分相器輸出的頻率為四相。CP[3:0]就是最終輸出的四相信號。

3 電機控制模塊的仿真與驗證

1）功能仿真

電機控制模塊在Quartus II上的綜合結(jié)果如圖3所示，電機控制模塊是由 slave、step_control、step_wave及 step_cp 4部分組成。

圖3 電機控制模塊的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation of motor controller module4

2）SOPC 平臺驗證

首先導(dǎo)入的HDL文件是用于描述模塊的硬件邏輯功能。對于電機控制模塊，導(dǎo)入的文件分別是motor.v、step_control.v、step_wave.v和 step_cp.v，其中 motor.v是頂層文件，配置 SOPC 平臺[4－6]，如圖 4 所示。

圖4 電機控制模塊與Avalon總線的連接Fig.4 Connecting between motor module and Avalon

當(dāng)通過SW開關(guān)設(shè)定不同的值時，相應(yīng)控制電機的4路脈沖信號就可以通過led顯示出來。同時，利用Quartus II中的signaltap II的對電機控制模塊仿真如圖5所示。仿真結(jié)果是與實際設(shè)計相符的。

圖5 電機控制模塊在signaltap II上的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of motor control on signaltap II

4 結(jié) 論

根據(jù)控制功能的要求，文中設(shè)計了步進電機控制模塊，該模塊采用一種脈沖疊加算法，實現(xiàn)了對步進電機正、反轉(zhuǎn)控制；實現(xiàn)了對步進電機轉(zhuǎn)動的定位和任意頻率變速。完成了對該模塊向SOPCBuilder的標準模塊庫中的封裝。

結(jié)合Avalon總線、Nios II內(nèi)核及其外設(shè)的特點，使用Quartus II和SOPC Builder在Cyclone II上創(chuàng)建了一個遠程控制的硬件平臺。

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[5]Quartus II Version 7.1 Handbook Volume 4:SOPC Builder[EB/OL].[2007－05].http://www.altera.com.cn/literature/lit-sop.Jsp.

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