基于STM32和FPGA的多通道步进电机控制系统设计.doc

基于 STM32和 FPGA的多通道步进电机控制系统设计 步进电机是一种开环控制电机 , 在自动控制系统中扮演着重要的角色 , 是其 主要执行元件。在非超载的情况下 , 步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲 信号的频率和脉冲数 , 而不受负载变化的影响 [1] 。 传统的步进电机控制系统多采用单片机和 DSP芯片作为其核心 , 通常以定时 器的方式产生控制脉冲 [2], 因此占用了较为可观的系统资源 , 脉冲频率更是为微 控制器所限制 , 控制系统和驱动电路的设计复杂且昂贵 , 并在在设计完成后很难 再做修改或者灵活应用于其他场合 , 系统的可移植性比较差 , 并且难以实现人机 交互 , 控制精度低。在实际的工作和生产过程通常需要多台设备协调共同作用完 成 , 因此就需要使用多台步进电机进行控制。 对多台电机联动控制的方法有很多 , 一般而言 , 可以采用多个 CPU共同控制 多台电机的方法 , 但是这种方法提升了系统硬件成本 , 增加了设计的难度 , 并且随 CPU数量以及元器件的增多 , 控制系统的稳定性和可靠性难以保证。为解决以上这些问题 , 本文提出了一种基于 ARM和 FPGA(现场可编程门阵列 ) 的多通道步进电机控制系统。 该控制系统以 STM32和 FPGA为核心 , 能够完成对 8 台步进电机的实时精确控制的功能。本文提出的多通道步进电机控制系统主要由上位机、 STM32、FPGA和 步进电机驱动器四部分组成。 上位机负责系统参数的定义、管理、监控 , 并对各步进电机的数据进行显示和保存等工作 , 并提供简便直观的人机交互界面而不参与步进电机的实时控制。 STM32控制模块与 PC端上位机和 FPGA状态转换及分频模块分别进行通信 , 从而 实现三者之间数据和命令的传递处理。 FPGA采用硬件编程语言 Verilog-HDL 进行编写。 实时控制模块中的 FPGA负 责与 STM32微控制器进行通信并执行上位机发送过来的相关命令 , 实现控制脉冲 的输出 , 从而控制步进电机在启动、加速、减速等状态间的转换。 步进电机驱动器中的 L297 芯片负责将从 FPGA输入的控制脉冲信号按一定规 律进行分配 , 再通过 L298 芯片进行功率放大 , 最终实现对 8 台步进电机的控制。 光栅传感器将电机的实时运行状态数据发送给 FPGA,并最终传入 STM32,与发送 给电机的控制信号进行比较 , 从而比较精准的控制电机的运行 , 达到对步进电机 进行闭环控制的目的。