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用于阵列天线连续跟踪的步进电机控制器IP核设计

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资料介绍

采用VHDL语言设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的步进电机控制器IP核,并在QuartusⅡ软件中进行了编译和仿真.该控制器采用了控制参数在线计算模块,使得阵列中每台步进电机都可以根据对应单元的相移量推算出各自的升降频曲线及脉冲发送时刻,从而保证阵列中各个电机的转动角度保持一定的关系,同时能有效地降低步进电机失步的风险.该控制器采用编码器反馈信息处理模块,对步进电机失步进行判断和校正.编译结果显示:通过合理设定数据位宽、重复利用乘法器、合理利用相邻脉冲发送间隔,控制器可以有效降低进行实时参数计算时的硬件资源使用量.测试结果表明,该控制器可以实现阵列天线波束连续跟踪.

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第23卷第11期

2011年11月

强

HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS

激光

与

粒子束

V01．23，No．11

NOV．，2011

文章编号：1001—4322(2011)1I-3099—04

用于阵列天线连续跟踪的步进

电机控制器IP核设计。

周

磊，

刘庆想，

李相强，

王邦继，

余

义，

张’健穹，

张艳荣，李寒冰

(西南交通大学物理科学与技术学院，成都610031)

摘要：采用VHDL语言设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的步进电机控制器IP核，并在

QuartusⅡ软件中进行了编译和仿真。该控制器采用了控制参数在线计算模块，使得阵列中每台步进电机都

可以根据对应单元的相移量推算出各自的升降频曲线及脉冲发送时刻，从而保证阵列中各个电机的转动角度

保持一定的关系，同时能有效地降低步进电机失步的风险。该控制器采用编码器反馈信息处理模块，对步进电

机失步进行判断和校正。编译结果显示：通过合理设定数据位宽、重复利用乘法器、合理利用相邻脉冲发送间

隔，控制器可以有效降低进行实时参数计算时的硬件资源使用量。测试结果表明，该控制器可以实现阵列天线

波束连续跟踪。

，

．-

关键词：步进电机；控制器IP核；连续跟踪；阵列天线

中图分类号：TP29

文献标志码：

doi：10．3788／HPLPB20112311．3099

步进电机是一种数字信号控制器件，它结构简单且步距误差不长期累积，因而被广泛地应用于各种数控设

备中[1]。由于步进电机加速阶段控制较难，一般将电机需要的参数存储在控制器内[2|，此方法存在速度曲线固

定、消耗存储空间的缺点。在采用步进电机驱动的阵列天线中，为了实现波束连续跟踪，需要控制阵列中每台

步进电机根据各自的转动角度生成各自的速度曲线，从而使得所有电机转动的角度维持一定的关系。因此，电

机转动不同角度时控制参数不同，需要控制器实时计算。现场可编程门阵列(FPGA)具有资源丰富、功耗较

低、可并行处理事务的特点，可以使用一片FPGA芯片控制多路电机；VHDL是一种标准硬件描述语言，具有

很高的灵活度和可移植性[3]。本文使用VHDL设计了基于FPGA的步进电机控制器IP核，并使其具有实时

计算控制参数的功能。

1整体结构与功能

电机控制器的整体结构如图1所示。如图，控制

器分为状态控制(SC)、控制参数计算(PC)、脉冲产生

(PG)、正交解码(QEP)4个模块。工作过程如下：状

态控制模块从上层网络接收当前周期需要转动的步数

7／并将视转发给控制参数计算模块；控制参数计算模

块根据咒计算相应的控制参数，包括电机转动方向、每

个脉冲的持续时间；状态控制模块在参数计算完成后，

读取计算结果，并转发给脉冲产生模块；脉冲产生模块根据传来的参数产生规定宽度的脉冲；正交解码模块根

据编码器的3路反馈信号(A，B，Z)，计算出当前已经转过的步数m，并发给上层网络用于失步判断与校正[4]。

由于同步数字电路中时间的测量是以时钟周期为单位的，因此计算脉冲持续时间等价于计算该脉冲占据的时

钟周期数Ci。

2各模块设计与实现

一

2．1状态控制模块

状态控制模块的输入包括复位信号RST、时钟信号CLK、使能EN、计算完成CD、脉冲发送完成PGD、步

*收稿日期：201I-06—30；

修订日期：201I-09—26

基金项目：中央高校基本业务费专项基金项目(SWJTU09ZT38)

作者简介：周磊(1988一)，男，硕士研究生，从事控制系统研究；libaozhoulei@163．corn。

万方数据

强

光

子

激

与

粒

柬

第z3卷

slate)、次态(nx_state)。若复位信号有效．pr

数”，输出为计数终止值G。状态控制模块有鹅个标志：现态(W

—stale被强置为初始态，否则在每个时钟的上升沿，pr—state都赋值为nx—state。状态控制模块分为组合逻辑

和时序逻辑两部分：时序逻辑部分切换工作状态，组合逻辑部分据pr_state的状态执行相虚的读写操作。状态

机包含6种类型的状态，分别为初始态s0、写参数计算模块状态s1、等待计算完成状态s2、读参数计算模块状

态S3、写脉冲产生模块状态s4和等待脉冲产生完成状态s5。其封装图、状态转移图分别如图2、图3所示。

of s●aIc conIrol modulr

Conversio．ol Slates

Fig

Package

Fig．3

图2状态控制模块封装固

圈3状态转移幽

2．2控制参数计算模块

该模块的输入为电机需转动步数n(n>O代表正转，n<O代表反转)、时钟信号CI。K，输出为方向信号Dir

(‘1’代表正转．‘0’代表反转)、计数终止值c。。

本文选取直线型对称速度剖面”]。图4为速度剖面图，图中f为时间，w(f)为f时刻的角速度。图5为脉

冲周期变化规律图，图中i为脉冲序列号，L为第i脉冲的持续时间。假设电机需要在时间了1内转动一步，则

由“的符号可判断出方向信号Dir的逻辑值；一的绝对值】n I代表控制器需要发出的控制脉冲数；同时I”1个

脉冲的时间总和为了'，即：：r—T，假设使用的时钟频率为f，则c。一厂r．。经推导得

(1)

c一一，丁(√云一√气})，1 i I”|，i z

Fig

Rule of

pulse period

Fig．1

Velocity profile

圉4建度剖面田

图5脉冲周期变化规律

2．3脉冲产生模块

该模块的输人为计数值C．和时钟信号CLK输出为电机控制脉冲．脉冲产生电路采用汁数比较器．计数器

从0开始计数，每个时钟周期加1，一直到终止值G停止；同时设置阈值thshd，且thshd为G一半，当计数值

小于thshd时，对外输出逻辑‘0’，而当计数值大于等于thshd时对外输出逻辑‘1’。

2．4正交解码模块

正变解码模块的输人为时钟信号CLK和编码器的反馈信号A，B，z。电机每转过一个固定角度(由编码

器分辨率决定)，人，B相就分别输出一个脉冲，但是H相落后A相90。；电机每转过一圈，z相输出一个脉冲。

通过统计接收到的A相或者B相脉冲数最可以计算电机转过的角度。为了提高计数精度．采取四倍频计数

法，正交解码模块分别在A。B两相信号的上升沿和下降沿计数。因此，电机每转过一个固定角度，正交解码模

块的计数值增加4，使编码器的分辨率提高到4倍。

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