基于CPLD的步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊設計

　　數控技術(shù)是以數字量編程實(shí)現控制機械或其他設備自動(dòng)工作的技術(shù)，數控機床就是采用了數控技術(shù)的機床，或者說(shuō)裝備了數控系統的機床。機床數控系統主要由幾個(gè)部分組成：零件加工程序的輸入、數據處理、插補計算和運動(dòng)機構的控制。本文主要介紹最后一個(gè)部分運動(dòng)機構的控制，即如何控制電機的動(dòng)作?？蛇x的電機有很多種，在這里我們選擇步進(jìn)電機。

　　步進(jìn)電機是數字控制電機，是一種將電脈沖轉換成角位移的精密執行元件。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，每給步進(jìn)電機發(fā)一個(gè)脈沖電機就旋轉一個(gè)固定的角度，只要脈沖數發(fā)的正確，電機就能走到位，無(wú)累積誤差，所以對步進(jìn)電機的控制可以采用開(kāi)環(huán)控制方法。如何精確且經(jīng)濟的控制步進(jìn)電機成為廣大研究人員探討的課題。本文將采用CPLD來(lái)實(shí)現對步進(jìn)電機的控制。并最終通過(guò)實(shí)驗仿真結果。

　　1步進(jìn)電機驅動(dòng)原理

　　步進(jìn)電機的驅動(dòng)是靠給步進(jìn)電機的各相勵磁繞組通電，實(shí)現步進(jìn)電機內部磁場(chǎng)方向的變化來(lái)使步進(jìn)電機轉動(dòng)的。設我們所用的步進(jìn)電機是四相的，這四相分別為A，B，C，D，對應于四對磁極。每個(gè)磁極的內表面都分布著(zhù)大小，齒間距相同的多個(gè)小齒（不同的步進(jìn)電機，小齒的個(gè)數不同），假設Ⅳ為轉子中小齒的個(gè)數。當這4相按A—B—C—D的順序通電時(shí)，步進(jìn)電機的內部磁場(chǎng)變化一周（360°），此種通電方式為單相四拍通電方式，此時(shí)步進(jìn)電機的步距角：

　　θ=90°／N

　　若N=50，則θ=1．8°

　　如果選擇的通電順序為A—AB—B—BC—C—CD—D—AD，此種通電方式為雙相八拍通電方式，此時(shí)步進(jìn)電機的步距角為：

　　θ=45°／N

　　若N=50，則θ=0．9°

　　步距角是步進(jìn)電機一次能轉過(guò)的最小角度，電機的步距角越小，說(shuō)明電機走的越精確，所以本文選擇驅動(dòng)電機通電的方式為雙相八拍通電方式。

　　2設計方案

　　一個(gè)完整的，控制精度高的步進(jìn)電機控制系統框圖如圖1所示。CPLD和步進(jìn)電機的驅動(dòng)器相連，驅動(dòng)器把CPLD輸出的信號放大后送入步進(jìn)電機，由于數控機床的各個(gè)軸是靠電機的轉動(dòng)來(lái)帶動(dòng)的，所以電機的轉動(dòng)帶動(dòng)相應軸的動(dòng)作。

　　各組成模塊功能描述如下：

　　2．1CPLD模塊

　　使用CPLD來(lái)控制步進(jìn)電機實(shí)現電機的啟動(dòng)、停止以及正反轉。傳統的方式是用單片機來(lái)控制步進(jìn)電機，但是在一個(gè)數控系統中單片機要做的工作很多，比如單片機既要控制步進(jìn)電機還要接受上位機的數據做相應的運算，還要控制顯示模塊，以及報警處理等，如果改用CPLD來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機則可以減輕單片機的負擔。用大規?？删幊踢壿嬈骷鳛榭刂破?，可以反映出CPLD在控制方面起到較高的作用，而不是僅僅作為邏輯器件來(lái)使用。并且CPLD具有較為經(jīng)濟的價(jià)格。

　　另外CPLD的外圍接口也較多，比如以ALTERA公司生產(chǎn)的EPM7032為例，它的I／O口有36個(gè)，內部的邏輯門(mén)有600多個(gè)，除了驅動(dòng)步進(jìn)電機所用的資源外，其余剩余的資源還可在系統中做其他用途。

　　在實(shí)際電路板設計階段，如果用傳統的設計方法設計電路必須首先決定使用的器件類(lèi)別和規格，然后從繪制硅片版圖開(kāi)始，逐級向上，直至整個(gè)系統的設計。在這個(gè)過(guò)程中如果有哪一級發(fā)生問(wèn)題必須返工重來(lái)，整個(gè)電路板將報廢。但是如果使用CPLD，設計方法是自頂向下的設計方法，就是在整個(gè)設計流程中各設計環(huán)節逐步求精的過(guò)程。比如在我們設計的一開(kāi)始就可以先把CPLD和驅動(dòng)器相連，再通過(guò)軟件的設置來(lái)利用到我們已經(jīng)連好的引腳，如果程序出現錯誤，可以同過(guò)ISP（在系統可編程的方法）把新的程序裝載到CPLD中，而不用更換電路板。

　　2．2驅動(dòng)器模塊

　　步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機驅動(dòng)器，由于CPLD輸出的信號還不足以驅動(dòng)電機使電機轉動(dòng)，所以在CPLD和步進(jìn)電機之間要連接驅動(dòng)器，放大CPLD輸出的信號。CPLD每發(fā)一個(gè)脈沖信號，通過(guò)驅動(dòng)器就使步進(jìn)電機旋轉一步距角。因而控制送入步進(jìn)電機脈沖頻率，可以對電機進(jìn)行調速。脈沖發(fā)的快電機運行的快，脈沖發(fā)的慢電機運行的慢。對于電機轉速的控制可以間接通過(guò)調整對送入CPLD中CLK脈沖的頻率來(lái)實(shí)現；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數，可以對電機進(jìn)行精確定位。
3軟件實(shí)現

　　本文通過(guò)對CPLD進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現對步進(jìn)電機的控制，使用的語(yǔ)言是VHDL語(yǔ)言，使用的編程環(huán)境是MAX+PLUSII?？刂瞥绦蛴蓛纱蟛糠謽嫵?，一是實(shí)體部分，二是結構體部分，實(shí)體的作用是描述端口的信息，結構體的作用是描述電路的功能。

　　3．1實(shí)體部分

　　在實(shí)體中定義了6個(gè)端口。

　　CLK：時(shí)鐘信號

　　reset：復位信號

　　DIR：正轉信號

　　START：?jiǎn)?dòng)信號

　　STOP：停止信號

　　phase：輸出信號

　　3．2結構體部分

　　在軟件設計中，重點(diǎn)是先正確寫(xiě)出雙相八拍通電方式下的狀態(tài)轉換表。

　　表1中‘1’表示通電，‘0’表示斷電，S0～S7分別表示按A—AB—B—BC—C—CD—D—AD通電方式下的8個(gè)狀態(tài)。在此種狀態(tài)順序下電機正轉，反之電機反轉。表中的S0～S7都是以二進(jìn)制數來(lái)表示，如果轉換為十六進(jìn)制數則分別為1，3，2，6，4，C，8，9。

　　程序的結構體部分由3部分組成：說(shuō)明部分，主控時(shí)序進(jìn)程，主控組合進(jìn)程。在說(shuō)明部分中定義相關(guān)的信號及常數；在主控時(shí)序進(jìn)程中負責把計算好的次態(tài)的信息送入初態(tài)，并負責最后的輸出；在主控組合進(jìn)程中負責相關(guān)的計算，比如判斷啟動(dòng)和停止，正轉和反轉，以及在正反轉狀態(tài)下如何取下一個(gè)狀態(tài)。下面這段程序就是結構體里主控組合進(jìn)程中，如何判斷電機正反轉和下一步電機將如何動(dòng)作的程序段。

　　3．3系統仿真結果

　　整個(gè)控制程序的軟件波形仿真如下：

　　從圖2中可以看到，在模擬步進(jìn)電機啟動(dòng)、停止、正反轉時(shí)電機的狀態(tài)。比如在復位后當START=‘1’時(shí)，如果這時(shí)DIR=‘1’表示電機是正轉，則電機的通電狀態(tài)是A—AB—B—BC—C—CD—D—AD，對應的CPLD的輸出狀態(tài)就為S0～S7。當DIR=‘0’時(shí)表示電機是反轉，就圖2的截圖來(lái)說(shuō)在CLK的上升沿時(shí)，輸出是狀態(tài)S2，因為它的前一個(gè)狀態(tài)從圖上我們可以看出是S1。

　　4結束語(yǔ)

　　在數控系統中我們希望達到準確、高效、經(jīng)濟的控制，在運動(dòng)機構的控制這一環(huán)節，通過(guò)CPLD可以起到很好的效果，首先可以簡(jiǎn)化硬件電路，提高電路的可靠性，其次可以通過(guò)對器件進(jìn)行編程來(lái)改變器件的結構，達到我們預期的功能，并且通過(guò)ISP在系統可編程的方法把程序加載到器件上。

　　通過(guò)CPLD可控制步進(jìn)電機的啟動(dòng)、停止、以及正反轉，本文通過(guò)軟件仿真，驗證了方案的正確性。本文所列舉的電機是四相的，如果是三相或是五相電機，都可按本文的方法實(shí)現，如果對電機采用的單相通電的方法，也可按本文的方法實(shí)現，同樣只須稍微修改參數即可。