CPLD在脈沖分配電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用0

1、CPLD 在脈沖分配電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用田玉利1,2 高 偉1 楊光宏1,2 黎向陽(yáng)1,2（中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所1， 西安 710119；中國(guó)科學(xué)院研究生院2， 北京 100048）Application of CPLD in Pulse Distributing Circuit DesignTIAN YULI1,2 GAO WEI1 YANG GUANGHONG1,2 LI XIANGYANG1,2(Xian Institute of Optics and Precision Mechanism of CAS ， Xian 710119；2Graduate University of

2、 Chinese Academy of Sciences ，Beijing 10048摘 要：介紹了一種四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖分配電路（脈沖分配器）的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)能夠根據(jù)輸入正確實(shí)現(xiàn)換向、啟動(dòng)和停止，而且該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)四相八拍兩種工作方式可選功能，過流、過壓保護(hù)使該設(shè)計(jì)更趨實(shí)用。該脈沖分配器電路采用基于Mealy狀態(tài)機(jī)機(jī)理的VHDL描述，語(yǔ)言代碼通過了Quartus II的編譯和仿真，并給出了仿真波形。最后，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路也進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；脈沖分配電路；狀態(tài)機(jī)中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BAbstract：The design of stepping

3、motors pulse distributing circuit（pulse distributor） is introduced in this article. This Design can change the direction of the stepping motor and can start and stop the running of the motor. It can also switch between two kinds of different running states. The design is applied because it can provi

4、de protection when the motor work under the condition of over current or over voltage. It is described by VHDL based on mealy state machine and the code has been compiled and simulated on Quartus II software. The result of the simulation is provided. At last, the driver circuit of stepping motor is

5、also introduced.Keywords：Stepping Motor；Pulse Distributing Circuit；State Machine1 引 言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種變磁阻式電動(dòng)機(jī)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠，能將數(shù)字的電脈沖輸入直接轉(zhuǎn)換為模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)，是一種比較理想的數(shù)控元件。它具有快速起停、精確步進(jìn)、沒有積累誤差且能直接接收數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。脈沖分配器是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是把輸入脈沖按一定的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為合適的脈沖序列，然后通過驅(qū)動(dòng)電路加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相繞組上，使電動(dòng)機(jī)按一定的方式工作。111脈沖分配

6、器的實(shí)現(xiàn)方法很多，既可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以通過邏輯代數(shù)運(yùn)算用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)，對(duì)此文獻(xiàn)1、2和3進(jìn)行了介紹。用CPLD/FPGA來實(shí)現(xiàn)的方法，文獻(xiàn)4也作了介紹。本文介紹的方法正是基于CPLD/FPGA，采用VHDL編寫，整個(gè)程序用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，用狀態(tài)機(jī)編寫的代碼，看起來比較直觀、容易理解，修改也比較方便，相對(duì)于用硬件電路實(shí)現(xiàn)方法和通過邏輯代數(shù)運(yùn)算用軟件來實(shí)現(xiàn)的方法來說，具有較強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)展性，同時(shí)由于高集成性，穩(wěn)定性也得到提高?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA（Field Programmable Gate Array）和CPLD(Complex Programmable Logic Devi

7、ce具有開發(fā)簡(jiǎn)單，靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)編程的特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的兩類可編程專用集成電路，CPLD/FPGA基本上可以完成所有數(shù)字器件的功能，下至簡(jiǎn)單的74電路，上至高性能的CPU都可以用它們實(shí)現(xiàn)。VHDL （VHSIC Hardware Description Language）是在80年代后期由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)的一種硬件描述語(yǔ)言,它經(jīng)過了IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化，幾乎所有廠商生產(chǎn)的CPLD/FPGA都支持該設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這就使得它變得更加通用，所以用VHDL來設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配電路具有代表性。2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配方式本文以四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行介紹，四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有

8、三種工作方式:四相單四拍、四相雙四拍和四相八拍。四相單四拍按照A-B-C-D-A方式運(yùn)行，四相雙四拍按照AB-BC-CD-DA-AB方式運(yùn)行，而四相八拍則按照A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或者按照AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB-AB方式運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)單四相四拍工作時(shí)每次只有一相控制繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，另外，在切換時(shí)一相控制繞組斷電而另一相控制繞組開始通電，容易造成失步，因而實(shí)際上很少采用這種工作方式；電動(dòng)機(jī)四相雙四拍工作時(shí)，有兩相控制繞組同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子受到的感應(yīng)力矩大，靜態(tài)誤差小，定位精度高，另外，轉(zhuǎn)換時(shí)始終有一

9、相的控制繞組通電，所以工作穩(wěn)定可靠，不易失步；電動(dòng)機(jī)按四相八拍方式工作時(shí)，是單雙相輪流通電或者兩相和三相控制繞組輪流通電，具有雙四拍的特點(diǎn)，且通電狀態(tài)增加了一倍，而使步距角減少一半。3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配方式也會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力和啟動(dòng)頻率，因此，正確選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配方式對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行非常重要。本設(shè)計(jì)具有脈沖分配方式可選的功能，主要是四相八拍兩種工作方式的選擇。3 脈沖分配電路設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)輸入輸出信號(hào)，各個(gè)信號(hào)含義如下：clk，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)鐘信號(hào)；dir，轉(zhuǎn)向控制信號(hào)；st，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟停控制信號(hào)；ovc，過流/過壓保護(hù)信號(hào)； s，工作方式選擇信號(hào)；A，B，C，D為步進(jìn)電動(dòng)

10、機(jī)四相通電繞組。該設(shè)計(jì)由狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)，clk的上升沿到來一次控制繞組由一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)；dir為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，dir=1時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，dir=0時(shí)電動(dòng)機(jī)倒轉(zhuǎn)；st為電動(dòng)機(jī)啟?？刂菩盘?hào)，st=1時(shí)，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，st=0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，并維持停轉(zhuǎn)前的狀態(tài)；ovc為過流/過壓保護(hù)信號(hào)，當(dāng)過流或過壓時(shí)封鎖輸出，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路起到保護(hù)作用；s為工作方式選擇信號(hào)，s=1時(shí)，按照A AB B BC C CD D DA - A方式運(yùn)行，s=0時(shí)，按照AB ABC BC BCD CD CDA DA DAB - AB方式運(yùn)行。3.1 VHDL編程實(shí)現(xiàn)為了正確的控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)作，特意設(shè)

11、計(jì)了9種工作狀態(tài)，state0-state8，其中state8對(duì)應(yīng)輸出全部為0的狀態(tài)，由s來選擇對(duì)兩種工作方式進(jìn)行選擇，每種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)一定的輸出，工作狀態(tài)由當(dāng)前工作狀態(tài)和dir、st和ovc來確定。整個(gè)結(jié)構(gòu)體由三個(gè)進(jìn)程來組成，第一個(gè)進(jìn)程完成當(dāng)前工作狀態(tài)和下一個(gè)工作狀態(tài)的切換，第二個(gè)進(jìn)程完成下一個(gè)工作狀態(tài)的確定，最后一個(gè)進(jìn)程則完成在當(dāng)前工作狀態(tài)下的輸出信號(hào)輸出。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示，第1行表示當(dāng)過壓或過流時(shí)由狀態(tài)0跳變到狀態(tài)8，即輸出全部為零，第2行表示啟動(dòng)信號(hào)有效、沒有過流且電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，由狀態(tài)0跳變到狀態(tài)7，其余各行道理相同。12345 Sstate state0state0 state0

12、 state0 state1 Dstate state8 state7 state1 state0 state8 condition (ovc (!dir.(st.(!ovc (dir.(st.(!ovc (!st.(!ovc (ovcstate1 state2 (dir.(st.(!ovcstate1 state1 (!st.(!ovcstate1 state0 (!dir.(st.(!ovcstate2 state8 (ovcstate2 state3 (dir.(st.(!ovcstate2 state2 (!st.(!ovcstate2 state1 (!dir.(st.(!ovcst

13、ate3 (ovcstate3 state4 (dir.(st.(!ovcstate3 state3 (!st.(!ovcstate3 state2 (!dir.(st.(!ovcstate4 state8 (ovcstate4 state5 (dir.(st.(!ovcstate4 state4 (!st.(!ovcstate4 state3 (!dir.(st.(!ovcstate5 state8 (ovcstate5 state6 (dir.(st.(!ovcstate5 state5 (!st.(!ovcstate5 state4 (!dir.(st.(!ovcstate6 state

14、8 (ovcstate6 state7 (dir.(st.(!ovcstate6 state6 (!st.(!ovcstate6 state5 (!dir.(st.(!ovcstate7 state8 (ovcstate7 state7 (!st.(!ovcstate7 state6 (!dir.(st.(!ovcstate7 state0 (dir.(st.(!ovcstate8 state8表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表3.2 仿真波形 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33圖1 s=

15、1時(shí)正轉(zhuǎn)波形 圖2 s=0時(shí)正轉(zhuǎn)波形圖1和圖2給出了部分仿真波形，波形仿真的其它功能也都符合要求，能正確完成預(yù)期的功能，在此僅給出兩幅波形仿真圖，圖1為s=1時(shí)正轉(zhuǎn)波形，圖2為s=0時(shí)正轉(zhuǎn)波形。 4 驅(qū)動(dòng)電路雖然步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種數(shù)控元件，易于同數(shù)字電路接口。但是，一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因此，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相繞組本身是一個(gè)電感，流經(jīng)其中的電流不能突變，相電流從零上升至額定值和從額定值下降到零，都需要一定的時(shí)間。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高速工作時(shí)，這些延遲時(shí)間將顯著影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能，使得輸出轉(zhuǎn)矩急速下降。此外，電流截止時(shí)，在相繞組的兩

16、端還會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，威脅功率開關(guān)元件的安全。因此，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有1如下一般要求:一、能夠提供快速上升和快速下降的電流，使電流波形盡量接近矩形；二、具有供截止期間釋放電流的回路，以降低相繞組兩端的反電動(dòng)勢(shì)，加快電流衰減；三、功耗低，效率高。除此之外，在一些有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合，為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位的分辨率，減小過沖和抑制振蕩，驅(qū)動(dòng)電路還要有細(xì)分功能。1細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距細(xì)化，分辨率有所提高，振動(dòng)噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題得到很大改善，運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高級(jí)控制系統(tǒng)中獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)力。5 結(jié)束語(yǔ)本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖分配電路設(shè)計(jì)突破了常規(guī)的用硬件電路實(shí)現(xiàn)，或者

17、是通過邏輯代數(shù)運(yùn)算用軟件來實(shí)現(xiàn)的方法限制采用CPLD/FPGA來實(shí)現(xiàn)四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配電路，新增的過流過壓保護(hù)功能是該設(shè)計(jì)更加實(shí)用，仿真結(jié)果顯示它能很好的滿足所要求的功能，同時(shí)節(jié)約資源，降低了設(shè)計(jì)成本。參考文獻(xiàn)1高鐘毓.機(jī)電控制工程（第2版）M.北京：清華大學(xué)出版社,2001.124-152.2王玉琳，陳甦欣.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軟件脈沖分配J.制造技術(shù)與機(jī)床，2006，7：23-253錢 平.伺服系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.46-64.4洪維華，閻治安，易萍虎.一種新型步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器的研究J.微電機(jī)，2004，37-2：24-27.5王登貴，楊中平，胡真名.基于PLC 的四相步進(jìn)電機(jī)控制方法及實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息，2006，12-1:36-37.6王玉琳.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可變細(xì)分驅(qū)動(dòng)器J.微特電機(jī), 2005，4:28-30.作者簡(jiǎn)介：田玉利（1982-），男，河南人，漢族，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所在讀碩士，研究方向?yàn)镕PGA、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。高偉(1966-，男，陜西人，現(xiàn)為中科院西安光機(jī)所研究員，主要從事光電信息處理方向的研究。Biography: Tian