基于Smart Fusion的步进电机控制方案

随着电子自动化和智能化的普及，步进电机的应用场合越来越多，主要应用于要求精确定位的各种场合，特别适合于要求运行平稳，低噪音，响应快，使用寿命长，高输出扭矩的场合。步进电机已经涉及到现代社会的各行各业，例如医疗机械，高精度仪器，机器人，办公自动化，计算机外设及海量存储，工业控制系统等，由此可见其在现代社会的重性。

本文主要介绍采用SmartFusion FPGA来实现一个两相步进电机的八细分精确控制系统，为大家提供一种全新的步进电机细分控制方案。传统的步进电机细分控制系统往往由一片Mcu加一片FPGA构成，新一代的SmartFusion内部集成FPGA和Cortex-M3硬核，因此传统的MCU+FPGA组合现在可以直接由SmartFusion替换。同时，结合Actel PPGA单芯片、上电即行、低功耗、高安全性和高可靠性的优点，使得该新方案的应用场合更加广泛。

1　概述

(1)功能概述

1.实现对两相步进电机的8分步、正反转、加减速和匀速控制：2.通过实时加减速算法削弱步进电机的振荡和失步现象：完善的上位机和触摸屏人机交互界面，带速度实时显示和动态绘制曲线功能；3.PC上位机控制台能够通过以太网无差错的发送各种电机运行控制参数；4.触摸屏控制台能够通过串口无差错的发送各种电机运行控制参数；5.真正完美的单芯片、低功耗解决方案；6.Actel PPGA的FlashLock和AES双重加密。保护您的设计；7.Actel FPGA的固件错误免疫使得系统可以工作于较恶劣的环境中，可靠性极高。

(2)系统框图该系统由两大模块构成：人机交互模块和电机控制模块。其中，人机交互模块完成对电机运行的指令控制和电机运行状态显示：电机控制模块则用于实现指令解析和细分控制。

由于系统控制核心由Cortex-M3和FPGA构成，因此分别对其接口进行描述，详细的接口信息如表1和表2所示。

2　各功能模块介绍

(1)人机交互模块

人机交互模块由上位机和触摸屏两部分组成。其中上位机在系统中被设置成具有比触摸屏更高的优先级，即上位机在操作的时候触摸屏操作指令失效。通过人机交互模块可以对电机进行正反向、加减速和匀速设置，同时还可以对电机的当前速度进行实时显示并通过曲线把电机的运行状态给描绘出来。

(2)电机控制模块

电机控制模块由Cortex-M3和PPGA两部分组成，其中Cortex-M3负责电机运行的算法实现，FPGA则负责电机运行的时序逻辑控制，经过PPGA和Cortex-M3的协同工作，最终实现两相步进电机的八细分精确控制。下面分别对Cortex-M3和FPGA这两个控制部分进行阐述。

Cortex-M3控制部分

Cortex-M3控制程序部分主要包含控制指令解析，实时变速算法，以及细分控制。指令解析部分将接收到的指令进行校验和解析，如果指令错误，将会放弃指令并请求上位机重发；如果指令正确那么就将指令中包含的参数传递给电机控制算法部分，用于计算出下一次定时器需要加载的值，并将其加载到定时器中，接着控制DAC输出对应的电流采样参考值用于配合FPGA时序逻辑部分完成电流斩波工作，同时不断更新电机的实时参数(如果电机的速度没有达到设定速度就会不断调用算法部分从而控制电机的变速)。

FPGA控制部分

FPGA时序逻辑控制采用模块化设计，主要由D触发器、死区控制、相位控制、时钟产生和微控制器子系统(MSS)等模块构成。

①D触发器模块

FPGA程序中定义了两个相同的D触发器，D触发器有三个输入输出接口，其中Clock为斩波时钟，Clear为清零脚，Q为D触发器的输出。根据实际情况，当Clear=O时，Q立即置低：当Clear=1时，在Clock的上升沿Q被置高；该D触发器的时序如图2所示。

②死区控制模块

为了确保H桥正常工作时不会发生电源和地短路的情形，程序模块中定义了一个死区控制模块。该死区控制模块的工作原理是：如果关闭H桥中的一个管，就马上关闭它，不做延时；如果要接通一个管，先延时数微秒，保证另一端的管彻底截止后，再把它接通。预处理开关信号(Drvin)和处理后开关信号(Drvout)之间的关系如图3所示。

③时钟产生模块

为了充分利用FPGA强大的PWM信号产生能力，同时减小Cortex-M3的工作负担，避免定时器资源的额外占用，系统所需的斩波时钟(cHOP_CLK)、衰减时钟(DEC_CLK)、死区时钟(DEAD_CLK)均可由FPGA内部逻辑控制产生。

FPGA输入输出信号的逻辑关系如表3所示。由于A／B线圈两组信号完全相同，所以把他们结合起来阐述。从表3很容易看出。通过一个组合逻辑就可以实现对线圈A／B的相位控制。

⑤MSS模块

当在Libero软件中正确对MSS进行配置后，软件会自动生成Mss的vedlog模块，在顶层模块中可以直接例化调用。

3　市场应用

步进电机已经涉及到现代社会的各行各业，而基于SmartFusion的步进电机细分控制系统以其极高的控制精度，将会在医疗，机械，高精度仪器，机器人，办公自动化，计算机外设及海量存储，工业控制系统等领域大放异彩。该系统的典型应用如图4所示。

4　小结

本文主要介绍了基于SmartFusion的步进电机控制系统的功能和应用。敬请关注周立功公司的网站以获得更多的信息。我们有着一个接近30人的FPGA团队提供强有力的售后服务和技术支持，解决用户在产品使用和研发过程中遇到的困难。若有更多的需求可以与我们联系，我们将会竭诚为您服务，并请关注下期的FPGA专题技术讲座。