基于 FPGA 的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)

居高峰 陳嘉儷

摘要：生活中旋轉(zhuǎn)電機的使用需求日益增大，對其功能要求也隨之提高，為使電機呈現(xiàn)多種狀態(tài)動作，本文設(shè)計了一種基于無劍100開源平臺的FPGA步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Vivado軟件對資料生成Bit流文件，將Bit流文件放到SD卡中配置到FPGA芯片之中，形成對應(yīng)的電路。然后使用CDK軟件編寫代碼，實現(xiàn)四路PWM波，通過對PWM波控制，實現(xiàn)57系列步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)與加減速功能。通過自行設(shè)計的上位機進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)步進(jìn)電機的驅(qū)動。

關(guān)鍵詞：FPGA開發(fā)板;Bit流文件;步進(jìn)電機;控制系統(tǒng)

Abstract：The demand for the use of rotating motors in daily life is increasing， and its functional requirements are also increasing. In order to make the motors show a variety of state actions， this paper designs an FPGA stepper motor drive system based on the Wujian 100 open source platform. The system uses Vivado software to generate a Bit stream file for the data， puts the Bit stream file in the SD card and configures it in the FPGA chip to form the corresponding circuit. Then use CDK software to write codes to realize four-channel PWM waves， and realize the forward and reverse rotation and acceleration/deceleration functions of 57 series stepping motors by controlling the PWM waves. Through the self-designed upper computer to monitor， realize the stepping motor drive.

Keywords：FPGA development board;Bit stream file;Stepper motor

旋轉(zhuǎn)電機的實用場景有電動衣架、旋轉(zhuǎn)式烤箱及電動卷簾門等，本文中以電動卷簾門的應(yīng)用場景為主。電動卷閘門是以多關(guān)節(jié)活動的門片串聯(lián)在一起，起動有電動機組帶動，在固定的滑道內(nèi)，以門上方卷軸為中心轉(zhuǎn)動上下的門，廣泛適用于商業(yè)門面、車庫、商場、醫(yī)院、廠礦企業(yè)等公共場所或住宅。本文設(shè)計了一種針對電動卷簾門的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)，通過Vivado生成FPGA的Bit流文件，電動卷簾門采用按鍵裝置可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，變速轉(zhuǎn)動及限位暫停，輕松方便。在滑臺兩側(cè)安裝了兩個限位開關(guān)，當(dāng)滑臺觸碰到限位開關(guān)之后滑臺會立即停止向前移動，并且向相反的方向短暫滑行一段距離，以保證限位開關(guān)彈簧的彈性，更加具有現(xiàn)實意義。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)包括平頭哥FPGA開發(fā)板以及接口擴展板，驅(qū)動系統(tǒng)采用電機驅(qū)動模塊，57步進(jìn)電機滑臺為執(zhí)行系統(tǒng)。

1.控制系統(tǒng)

如圖1所示， FPGA開發(fā)板是平頭哥提供的Xilinx 7系列FPGA采用28nm HKMG HPL工藝的開發(fā)板，大幅提高了FPGA性能和容量。配置時需要先將生成的Bit流文件以cfg.bit的名字命名存入SD卡中，將J5接口接道PS模式。上電后進(jìn)行按下power鍵與K6-RE-PROG按鍵。板上D7 LED等開始快速閃爍，表示正在配置FPGA配置完成之后，D7 LED停止閃爍，D1 LED常亮綠色，表示配置正確。此過程需要一分鐘左右的時間。如圖2所示，設(shè)計的接口擴展板包含電源接出口、YOC引腳接出口、PWM輸出口、限位開關(guān)1與2、正反轉(zhuǎn)按鍵、加減速按鍵與停止按鍵。其中四路PWM口接入YOC3上的J24.1（PAD_PWM_CH0）、J24.4（PAD_PWM_CH2）、J24.6（PAD_PWM_CH4）、J24.8（PAD_PWM_CH6）;限位開關(guān)1接入YOC1上的J2.5（PAD_GPIO_3），限位開關(guān)2接入YOC1上的J2.8（PAD_GPIO_6）;正反轉(zhuǎn)按鍵接入YOC1上的J2.7（PAD_GPIO_5）;加減速按鍵接入YOC1上的J2.4（PAD_GPIO_2）;停止按鍵接入YOC1上的J2.6（PAD_GPIO_4）。

2.驅(qū)動及執(zhí)行系統(tǒng)

圖3是電機驅(qū)動模塊需要接入12伏穩(wěn)壓電源，左右兩端分別接入四路PWM波的1-4口。圖4為57步進(jìn)電機滑臺，滑臺左側(cè)裝有限位開關(guān)，右側(cè)為滑臺的57驅(qū)動電機與限位開關(guān)。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.CDK軟件運行代碼

將程序編輯好之后Build進(jìn)行編譯。點擊“Start/Stop Debugger”按鈕 進(jìn)入調(diào)試，最后點擊運行按鈕即可在FPGA開發(fā)板運行代碼。用FPGA板上的YOC1上的J2.7（PAD_GPIO_5）、J2.4（PAD_GPIO_2）、J2.6（PAD_GPIO_4）分為控制轉(zhuǎn)向、控制加減速與停止的按鍵開關(guān)。GPIO觸發(fā)方式統(tǒng)一設(shè)置成按鍵下降沿觸發(fā)中斷方式。用FPGA板上的YOC3上的J24.1（PAD_PWM_CH0）、J24.4（PAD_PWM_CH2）、J24.6（PAD_PWM_CH4）、J24.8（PAD_PWM_CH6）分別作為控制57電機的四路輸出PWM波形控制口。用FPGA板上的YOC4上的J23.3（PAD_USI0_SCLK）、J23.4（PAD_USI0_SD0）分別作為TX與RX，與串口的RX和TX相連。其初始化配置關(guān)鍵代碼如下：

2.電機算法

圖5是電機算法代碼流程圖。初始化之后，對按鍵進(jìn)行判斷以進(jìn)一步控制步進(jìn)電機。

3.Bit流文件生成流程

圖6在Vivado新建工程文件之后，選擇正確的開發(fā)板型號，添加的Top文件與參數(shù)文件，再添加過后的FPGA的管腳約束與時序約束文件。開始運行占用資源。圖7是生成后的bit流文件，最后將Bit流文件命名成cfg.bit拷入SD卡中，即可打開開發(fā)板進(jìn)行配置。

三、系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)以57步進(jìn)電機搭建的滑臺進(jìn)行結(jié)果的展示。三路PAD_GPIO口對應(yīng)按鍵分別為正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鍵、加速/減速按鍵、停止按鍵。兩路PAD_GPIO對應(yīng)滑臺兩側(cè)的限位開關(guān)。四路PAD_PWM_CH通道對應(yīng)PWM波形。從軟件設(shè)計到電機控制，形成了一個基于無劍平臺的FPGA開發(fā)板的電機控制系統(tǒng)（圖8-11）。

四、結(jié)語

旋轉(zhuǎn)電機的實用場景有電動衣架、旋轉(zhuǎn)式烤箱及電動卷簾門等，系統(tǒng)運行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)滑臺的左移右移，加速與減速。當(dāng)觸碰到兩側(cè)的限位開關(guān)后會立即暫停并且再向相反的位置移動一小段距離，用來保護(hù)限位開關(guān)，防止丟失彈性。可直接應(yīng)用于實際中各種需要控制轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向的場所，具有重要現(xiàn)實意義。

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作者簡介

居高峰（1997.01-），男，漢族，江蘇省揚州市人，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生在讀，主要研究方向：集成電路。

通訊作者

陳嘉儷（2000.12-），女，漢族，江蘇省鹽城市人，南通大學(xué)杏林學(xué)院本科在讀，主要研究方向：電子信息工程。