步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執行機構。控制步進電機的輸入脈沖數量、頻率及電機各相繞組的接通順序,可以得到各種需要的運行特性。由于步進電機具有步距值不受諸如電壓和溫度變化的影響、誤差不長期積累以及控制性能好等優點, 所以在儀器儀表、機器人、數控機床、紡織、輕工、石油、郵電、冶金和化工等行業得到了越來越廣泛的應用。本文討論一種基于FPGA設計的步進電機控制系統，利用FPGA的I／O端口多，可以自由編程支配、定義其功能的特點。不僅實現簡單方便，而且容易仿真。且鑒于FPGA芯片和Verilog HDL語言的特點,系統具有良好的擴展性和通用性。

步進電機控制系統方案
基于 FPGA 設計的步進電機控制系統方案的框圖[1]如下，它主要由脈沖發生器、分頻器模塊、電機控制模塊、譯碼顯示模塊和電機驅動模塊和數碼顯示6 個模塊組成。當系統工作時，脈沖發生器提供時鐘的輸入信號，通過分頻器模塊對脈沖信號進行分頻，分別為電機控制模塊和譯碼顯示模塊提供時鐘信號。電機控制模塊輸出控制步進電機的脈沖信號,通過電機驅動模塊進行脈沖分配和功率放大后直接驅動步進電機。同時電機控制模塊輸出電機的運行數據到譯碼顯示模塊,進行譯碼后動態顯示于數碼管,在數碼管上可以實時觀測電機運行狀態。圖中虛線框起來的部分包括分頻器模塊、譯碼顯示模塊、電機控制模塊都是通過FPGA進行實現，其余部分為外部設備。

FPGA 結構設計
基于 FPGA 設計的步進電機控制系統主體采用Verilog HDL 語言設計，將系統按功能進行劃分實現層次化設計。在頂層設計中對內部各功能模塊的連接關系和對外接口關系進行描述，系統按基本功能分為分頻器模塊、譯碼顯示模塊、電機控制模塊，其中電機控制模塊的具體功能有下層模塊實現。將各模塊進行綜合[2]組成了步進電機控制系統，其頂層Verilog HDL 源代碼[3][4][5]和電路圖如下所示。

分頻器模塊
分頻器模塊實現將 50MHz 全局時鐘分頻得到一路1Hz 時鐘信號和一路1KHz 的時鐘信號。1KHz 時鐘信號分別提供給電機控制模塊和顯示模塊，1Hz 時鐘信號提供給電機控制模塊。

譯碼顯示模塊
譯碼顯示模塊是由動態顯示驅動、數據多路選擇、譯碼電路構成，譯碼顯示模塊的功能是將電機運行數據經譯碼后動態顯示于數碼管上，同步顯示電機運行結果。

電機控制模塊
電機控制模塊[6]主要由基脈沖模塊、脈沖疊加模塊、脈沖調速器模、脈沖輸出控制模塊組成。

基脈沖模塊
基脈沖模塊內部有一個 10 位數據的計數器，其計數時鐘是分頻后的1KHz 時鐘信號。通過計數器計數實現對1KHｚ時鐘信號的分頻,分別完成1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128、1/256、1/512、1/1024 時鐘信號的基脈沖。脈沖輸出時，只需要控制將其需要的頻率成分疊加，這樣就可以組合成連續可調頻率的脈沖輸出信號,輸出脈沖的范圍在1~1024Hz。

脈沖調速模塊
每秒輸出脈沖數寄存器模塊根據速度以及加速度信息，控制每秒輸出的脈沖個數，最終達到控制步進電機速度的目的。根據總的脈沖數來判斷距離長短,以確定步進電機運行模式。步進電機按兩種模式[7]運行，短距離時，步進電機以恒速進行運行；長距離時，步進電機不僅有恒速過程，還有加減速過程，以保證快速反應。

脈沖疊加模塊
每秒輸出脈沖數寄存器模塊根據速度以及加速度信息，控制每秒輸出的脈沖個數，最終達到控制步進電機速度的目的。脈沖疊加模塊是根據每秒鐘的脈沖個數來控制脈沖的輸出，其實質是根據每秒鐘的脈沖個數，將10 種頻率不同并且互相不重疊的脈沖信號疊加后輸出脈沖，這樣的脈沖中包含了速度信息、加速度信息等控制步進電機運行的參數。

脈沖輸出控制模塊
總脈沖輸出控制模塊是根據步進電機的位置信息，輸出控制步進電機的走步距離。其實現可以直接對輸出的脈沖計數，當計數值未達到設定的總脈沖數時，一直輸出脈沖；當計數值與設定的總脈沖數相一致時，控制不再輸出脈沖。

功能仿真和下載驗證
各模塊Verilog HDL就要選擇合適的目標芯片進行綜合、管腳配置。本系統選用Xilinx公司的Spartan-IIE系列XC2S100E芯片[8]，選用優化效率和兼容性優秀的綜合器XST對程序進行綜合，將綜合生成的網表文件由ModelSim進行仿真，得到如圖6所示結果。

圖 7 是基于FPGA 設計的步進電機控制系統的硬件圖，Xilinx 開發板輸出脈沖信號連接到電機驅動板的脈沖輸入端，電機驅動板進行脈沖分配和功率放大后連接到4 相步進電機。圖中Xilinx 開發板的電源由USB 端口供電，電機驅動板的電源輸入24V電源。芯片在50MHz下工作，能順利完成對步進電機精確控制。

結束語
步進電機是機電一體化產品中的關鍵組件之一,是一種性能良好的數字化執行元件。隨著電子技術和計算機技術的發展,在許多領域將得到廣泛的應用。本控制器采用Xilinx公司Spartan II的FPGA實現了步進電機的精確控制，與傳統的由多個分立元件和集成塊構成的步進電機控制系統相比，具有可靠性高、性能穩定、成本低廉的特點。而且使用先進的EDA設計工具使設計更加簡單方便，靈活快速。