芻議EDA技術(shù)下的步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計

王書禮

摘要 步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計目標(biāo)是為了有效控制電機(jī)脈沖頻率，因此，有關(guān)單位與設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)優(yōu)化電路設(shè)計方案。下文中，筆者針對脈沖頻率控制電路設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)注意的要點與事項進(jìn)行分析，同時將累加變頻的DDS數(shù)字合成頻率技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)控制電路方案中，保證電路中的脈沖頻率能夠線性增減，從而確保頻率的可控性。DOS數(shù)字合成頻率技術(shù)為電機(jī)控制電路設(shè)計創(chuàng)造了便利條件，并輔助VHDL邏輯語言應(yīng)用，經(jīng)過實踐證明，有效提升了步進(jìn)電機(jī)控制電路的運作效果。

關(guān)鍵詞 DOS數(shù)字合成頻率技術(shù)；步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計；EDA；VHDL邏輯語言應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)控制電路是機(jī)電一體化產(chǎn)品的核心零部件和不可缺少的重要組成部分，因此被普遍適用于機(jī)械精密加工與制造、電機(jī)自動化控制等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中。當(dāng)國際信息傳播技術(shù)、計算機(jī)軟件應(yīng)用技術(shù)不斷突破創(chuàng)新，各國對步進(jìn)電機(jī)控制電路的使用需求日益強(qiáng)烈，當(dāng)前普遍使用的步進(jìn)電機(jī)類型繁多，例如單相式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)等等。其中，最后一種類型的步進(jìn)電機(jī)多使用軟磁原材料制成，并使用了勵磁繞組，被廣泛使用于各生產(chǎn)領(lǐng)域中。

1.步進(jìn)電機(jī)控制電路的減速、增速設(shè)計要點

與普通電機(jī)控制電路相區(qū)別，步進(jìn)電機(jī)控制電路使用脈沖作為電路控制信號，并將數(shù)字控制技術(shù)與電路設(shè)計方案結(jié)合起來，摒棄了以往步進(jìn)電機(jī)多選擇了專業(yè)接口芯片、多用單片機(jī)的設(shè)計方法。采用脈沖作為控制信號的步進(jìn)電機(jī)電路系統(tǒng)能夠在極短時間內(nèi)，提升電路的運行效率，但同時存在應(yīng)變能力薄弱、容易遭受外界環(huán)境干擾等問題。下文中，筆者將闡述應(yīng)用了EDA技術(shù)后的步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計策略，分析其中的優(yōu)勢與設(shè)計要點。

現(xiàn)階段，我國步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計方案類型眾多，包括拋物線法、指數(shù)法、梯形圖法等等。本次設(shè)計案例選擇了梯形設(shè)計思路（具體參考圖1）。從梯形設(shè)計分析圖例中，我們可以看到電路脈沖信號的線性增速、線性減速、勻速不變等3個過程階段，通過不同階段中脈沖信號的不同傳播特點，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)傳播頻率的勻速減速、勻速增速，確保慣性轉(zhuǎn)矩數(shù)值和負(fù)載轉(zhuǎn)矩數(shù)值的總和，始終低于電磁轉(zhuǎn)矩，防止步進(jìn)電機(jī)發(fā)生跨步、失步等運轉(zhuǎn)失誤。從圖1中，我們可以看出步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計重點在于線性增速、線性減速這2個階段，為了有效控制脈沖信號變化頻率，最有效、簡便的設(shè)計策略是使用分頻手段，為了保證脈沖信號和頻率，二者同時實現(xiàn)線性變化，我們應(yīng)當(dāng)從中引入DDS數(shù)字合成變頻技術(shù)。

2.步進(jìn)電機(jī)控制電路的DDS設(shè)計要點

所謂的DDS數(shù)字合成變頻技術(shù)可以理解為，采用數(shù)字化的頻率合成手段，使脈沖頻率、脈沖信號、相位能夠被有效控制。DDS數(shù)字合成變頻技術(shù)的運作原理為：利用相位增量累加的設(shè)計思路：在時鐘信號clk作用下，對相位增量寄存器輸出的相位增量作累加后寄存，相位累加寄存器取二進(jìn)制n位，當(dāng)累加值大等于2n時產(chǎn)生溢出，累加計算繼續(xù)運行，相位累加寄存器數(shù)值漸次排列，直到再次溢出。分析得出，數(shù)值溢出速度的塊面和相位增量構(gòu)成正比關(guān)系，即：相位增量數(shù)值越高，溢出速度也相應(yīng)越快。如果相位累加寄存器每溢出一次，讓溢出信號co求反一次，則可輸出脈沖，這個脈沖信號的頻率代表了溢出率，只要給相位增量寄存器不同的頻率控制字（相位增量），就可以在co獲得對應(yīng)的不同頻率的脈沖信號，參考圖2。

3.步進(jìn)電機(jī)控制電路的方向控制模塊設(shè)計要點

方向模塊設(shè)計的實現(xiàn)與仿真設(shè)計可以理解為，方向模塊具有兩個脈沖控制電路，分貝輸入PWIVI信號和變頻脈沖信號，前者將根據(jù)輸入PWM信號數(shù)值的不同，而改變脈沖分配器的四相輸出時間順序，從而帶動步進(jìn)電機(jī)運作；后者根據(jù)輸入脈沖信號方向的不同，使得脈沖分配器產(chǎn)生的時序脈沖方向也有所不同，從而確定步進(jìn)電機(jī)的運作方向。

根據(jù)四相八拍的控制方式，定子通電順序為（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A），因此本系統(tǒng)中采用了Mealy型狀態(tài)機(jī)描述方法，狀態(tài)取值依次是：SO=0001，S1=0011，S2=0010，S3=0110，S4=0100，S5=1100，S6=1000，S7=1001。-DAB-AB……。按控制時序的要求，用“1”表示該繞組加電，“0”表示該繞組斷電，參考圖3。

圖4為步進(jìn)電機(jī)控制電路的方向控制模塊的仿真波形運作規(guī)律，當(dāng)信號u和D分別為高電平時，狀態(tài)流程為相反方向，代表步進(jìn)電機(jī)向著相反的方向運作。

4.結(jié)論

綜上所述，我們從步進(jìn)電機(jī)的運作原理開始分析，介紹了當(dāng)前國內(nèi)主要適用的幾種部件電機(jī)控制電路類型，并從避免、預(yù)防步進(jìn)電機(jī)跨步、失步等錯誤問題入手，探討了脈沖變頻線性增速、減速的電路控制方案。我們認(rèn)為，使用DDS數(shù)字合成變頻技術(shù)，可以有效彌補(bǔ)之前步進(jìn)電機(jī)設(shè)計方案的缺陷與不足，提升步進(jìn)電機(jī)運作的運行速率，使得操作控制更為便捷智能化，全面提升了步進(jìn)電機(jī)的運作效果。