基于GAL器件的步進(jìn)電機控制器的研究與設計

　　步進(jìn)電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動(dòng)控制系統中，如機器人、打印機、軟盤(pán)驅動(dòng)器、繪圖儀、機械閥門(mén)控制器等。目前，對步進(jìn)電機的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時(shí)由于分散器件的延時(shí)，其可靠性大大降低;軟件環(huán)形分配器要占用主機的運行時(shí)間，降低了速度;專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應性受到限制，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、需求費用較高。通用陣列邏輯GAL(Generic Array Logic)是美國Lattice公司研制的一種電可擦除的可編程的新型PLD器件。近幾年來(lái)，GAL以其高性能、高可靠性、可擦除及輸出邏輯結構可組態(tài)等特性和100%的成品率，博得廣大用戶(hù)的信賴(lài)。它可以用來(lái)構成譯碼器、優(yōu)先級編碼器、多路開(kāi)關(guān)、比較器、移位寄存器、計數器、總線(xiàn)仲裁器等。采用GAL器件對三相步進(jìn)電機進(jìn)行控制，不僅簡(jiǎn)化了系統的結構，降低了成本，而且編程靈活方便，提高了系統的可靠性，使系統具有更強的適應性。

　　1 三相六拍步進(jìn)電機控制要求

　　矩角特性是步進(jìn)電機運行時(shí)一個(gè)很重要的參數，矩角特性好，步進(jìn)電機啟動(dòng)轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過(guò)增加步進(jìn)電機的運行拍數來(lái)實(shí)現。三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情況下，三相步進(jìn)電機采用三相六拍運行方式。三相步進(jìn)電機工作在三相六拍運行方式時(shí)，每個(gè)狀態(tài)的變化使電機轉動(dòng)1/6齒距，三相激勵規律為A-AB-B-BC-C-CA共六拍，對應時(shí)序如圖1所示。A、B、C分別代表接到三相步進(jìn)電機A相、B相、C相繞組的驅動(dòng)脈沖。

　　通常，步進(jìn)電機的脈沖控制是由邏輯電路實(shí)現的。在計算機控制的系統中，也可以通過(guò)編制程序，由擴展I/O口輸出脈沖來(lái)決定電機的運行方式、方向及轉速。這種方式電路簡(jiǎn)單、控制靈活，但占用CPU的時(shí)間過(guò)多，每次驅動(dòng)電機時(shí)，PC機都得被占用。本文采用可編程邏輯器件(PLD)中的GALl6V8設計邏輯電路。在此，選三個(gè)控制信號：(1)啟動(dòng)控制信號S，當S=1時(shí)為停止，S=0為啟動(dòng);(2)正反轉控制信號D，當D=1時(shí)電機正轉，D=0時(shí)電機反轉;(3)轉速切換信號R和C，當R=0、C=0時(shí)，頻率為fck;R=1、C=1時(shí)，頻率為fck/2。步進(jìn)電機的轉速通常都是通過(guò)改變時(shí)序脈沖的頻率來(lái)控制的，所以這里用頻率來(lái)表示轉速的改變。由于GAL器件所有觸發(fā)器的時(shí)鐘是連在一起的，不能同時(shí)引入兩種以上頻率的時(shí)鐘，因此從改造組合邏輯部分人手，達到對電動(dòng)機轉速的二分頻控制。同理也可以實(shí)現四相八拍、五相十拍、六項十二拍的步進(jìn)電機控制，這就比專(zhuān)用的集成電路功能更強。

　　2 采用GAL控制脈沖分配的邏輯設計

　　若采用集成電路芯片來(lái)實(shí)現三相六拍步進(jìn)電機的控制，所用器件較多，電路一般比較復雜。為了滿(mǎn)足電機轉速的二分頻，在同一時(shí)鐘頻率控制下，必須利用一個(gè)D型觸發(fā)器，通過(guò)C參與組合邏輯來(lái)實(shí)現。其邏輯電路如圖2所示。CK為控制信號，三個(gè)D型觸發(fā)器的輸出O、P、Q分別接步進(jìn)電機的三項繞組。根據步進(jìn)電機驅動(dòng)相數及控制要求，必須有相應于相數的延遲觸發(fā)器保持現態(tài)與次態(tài)間的轉換過(guò)程。對此，可利用GAL中八個(gè)輸出邏輯宏單元中的三個(gè)來(lái)完成，電機的工作狀態(tài)(O、P、Q)中的現態(tài)與控制信號(S、R、D)可通過(guò)GAL的與、或陣列組合邏輯來(lái)完成。

　　2.1 邏輯控制狀態(tài)表

　　按照電機的激勵規律，在時(shí)序脈沖作用下，時(shí)序電路的狀態(tài)將在六個(gè)狀態(tài)中循環(huán)，驅動(dòng)電機運轉。這里用a、b、c、d、e、f分別表示其六個(gè)狀態(tài)，即a=100、b=110、c=010、d=011、e=001、f=101。根據邏輯電路圖可得其狀態(tài)表，如表1所示。

　　2.2 狀態(tài)真值表

　　由表1可得狀態(tài)真值表，如表2所示。表中O、P、Q狀態(tài)是在時(shí)鐘脈沖控制下變化的，在控制變量的控制下，決定電機的啟動(dòng)、轉向和轉速大小。

　　2.3 卡諾圖

　　在卡諾圖中，輸入變量分兩排表示，變量的取值次序按照循環(huán)碼排列。這種排列方法使得卡諾圖中幾何上相鄰的兩個(gè)小方塊所代表的最小項只有一個(gè)變量不同這正是利用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數的基礎。

　　對于多變量輸入，使用卡諾圖時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)按照"最少、最大"的原則(即圈數最少，圈內的最小項個(gè)數盡可能多)圈起所有取值為1的相鄰相。

　　(2)卡諾圖中四個(gè)角與兩對邊的各項也是相鄰的，卡諾圖里上、下或左右部分中對稱(chēng)的項也是相鄰的。

　　(3)每圈一個(gè)矩形圈時(shí)，必須至少包含一個(gè)在其它圈中未出現過(guò)的最小項，否則出現重復而得不到最簡(jiǎn)式。

　　(4)每一個(gè)取值為"1"的小方塊都可以被圈多次，但不能遺漏，最小圈可以只包含一個(gè)小方塊，即不能簡(jiǎn)化。

　　以O為例，由狀態(tài)真值表可得其卡諾圖，如圖3所示。根據圈數和最小項可得其邏輯表達式為：

　　同樣，也可以求得P、Q的邏輯表達式

　　3 GAL的軟件設計

　　3.1 GAL器件選型及引腳變量分配

　　GAL器件有多種型號，根據設計的需要，同時(shí)從經(jīng)濟的角度考慮，選用GALl6V8來(lái)實(shí)現三相六拍步進(jìn)電機的控制。

　　3.2 GAL源文件設計

　　根據控制要求和編程格式，對已得到的時(shí)序邏輯方程編寫(xiě)的源文件如下：

　　在實(shí)際輸入時(shí)不需要加入，注釋行以";"開(kāi)始。將上述源文件輸入計算機，再對文件進(jìn)行編譯或匯編以生成JEDEC文件、引腳配置圖、熔絲圖等。用編程器對GAL器件進(jìn)行編程，編程器在編程結束后還具有對編程芯片所有的存儲單元進(jìn)行自動(dòng)檢驗的功能。

　　4 系統的硬件連接

　　電路原理圖如圖4所示，左邊為GALl6V8芯片的引線(xiàn)圖，S、D、R分別決定電機的啟動(dòng)、轉向和轉速大小，輸出O、P、Q分別接電機的A、B、C三個(gè)線(xiàn)包。圖中只給出一個(gè)線(xiàn)包的驅動(dòng)電路。注意：GAL元件不用的引腳應該直接接地或接電源，不要懸空，否則會(huì )增大功耗，降低抗干擾能力。 這種主要由GALl6V8組成的步進(jìn)電機控制器用于對三相六拍工作制步進(jìn)電機的自動(dòng)控制，既可以獨立運用于驅動(dòng)對象，又可以在微機管理下運行，且不占用CPU的時(shí)間。用一片GAL便可以實(shí)現復雜的時(shí)序電路，縮小組成系統的體積。借助計算機輔助設計，大大加快了設計速度，減少了差錯，降低了成本，提高了系統的可靠性和穩定性，且可反復修改和編程，靈活性極強。