現(xiàn)場可編程門陣列步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

汪明珠， 毛德梅， 黃 濟， 李澤彬， 朱雪梅

(皖西學(xué)院， 安徽 六安 237012)

0 引 言

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角位移的電器元件，在多種機械與設(shè)備中都具有較為廣泛的應(yīng)用。步進電動機的工作原理是根據(jù)其所接受的電脈沖信號的個數(shù)輸出與其完全成正比的轉(zhuǎn)角位移。傳統(tǒng)單片機控制方式在靈活性方面存在著較大的缺陷，無法滿足實際應(yīng)用的需求，因此，開發(fā)新的步進電動機具有一定的必要性[1]。利用現(xiàn)場可編程門陣列所設(shè)計的數(shù)字比較器能夠同時產(chǎn)生多種不同類型的脈沖寬帶調(diào)制波形，同時現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)置的嵌入式陣列塊能夠暫時存放。首先,不同相控制波形數(shù)據(jù)表，因此這種控制方法更加靈活。其次,通過現(xiàn)場可編程門陣列還可以對數(shù)據(jù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行修改，并提升計數(shù)器的精確性，最終實現(xiàn)了步進電動機的細分，真正實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)角位移的精確控制。通過現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)對不同相波形的控制，并不需要外接轉(zhuǎn)換器，因此，整個控制電路被大大簡化，控制效果與控制精度也得到了明顯提升[2]。文中選擇以單片機與現(xiàn)場可編程門陣列為基礎(chǔ)進行步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。

1 驅(qū)動系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成

在本次設(shè)計中系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

在該系統(tǒng)中，單片機的主要作用是實現(xiàn)對步進電動機轉(zhuǎn)動速度與轉(zhuǎn)動方向的控制，現(xiàn)場可編程門陣列則實現(xiàn)了對步進電動機的細分控制，其主要原理是現(xiàn)場可編程門陣列產(chǎn)生一種階梯型的脈沖信號，并將其轉(zhuǎn)化成階梯型的電壓信號，從而實現(xiàn)對步進電動機不同相在不同時間內(nèi)的繞組電壓控制。在該系統(tǒng)中嵌入式陣列模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊以及數(shù)字比較模塊等功能的實現(xiàn)都是通過VHDL語言編程實現(xiàn)的，不同模塊共同實現(xiàn)了步進電動機的細分控制[3]。在該系統(tǒng)中所選用的驅(qū)動芯片為I293D驅(qū)動芯片。

1.1 硬件系統(tǒng)

設(shè)計的步進電動機控制系統(tǒng)中，單片機與現(xiàn)場可編程門陣列是最核心的驅(qū)動技術(shù)，因此，該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成也是以單片機與現(xiàn)場可編程門陣列為基本核心硬件，系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路

驅(qū)動系統(tǒng)所采用的單片機為飛利浦P89V53RB2芯片，其向現(xiàn)場可編程門陣列所傳輸?shù)目刂菩盘柺峭ㄟ^P0接口所傳遞的。由于該單片機內(nèi)置的P0接口屬于一種I/O接口，因此，還必須要接上外部上拉電阻才能作為程序校驗接口或者通用接口。同時將現(xiàn)場可編程門陣列的管腳設(shè)定為43～36，其主要目的在于完成轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速以及細分數(shù)的設(shè)定，其中細分數(shù)的設(shè)定需要通過S0～S2三個引腳來實現(xiàn)，S0～S2所對應(yīng)的細分數(shù)見表1[4]。

表1 S0～S2所對應(yīng)的細分數(shù)

在該控制系統(tǒng)中，控制器現(xiàn)場可編程門陣列器件為賽靈思公司生產(chǎn)的XC2S15芯片，現(xiàn)場可編程門陣列復(fù)位信號采用RESET信號，存儲地址計數(shù)器脈沖輸入采用CLK，步進電動機轉(zhuǎn)向信號采用DIR表示，“0”表示反向轉(zhuǎn)動，“1”表示正向轉(zhuǎn)動，采用CS1、CS2來控制電動機內(nèi)部模塊的選定，從而實現(xiàn)對多臺步進電動機的有效控制。在該控制系統(tǒng)中提供了86個I/O接口，從而有效避免了單片機內(nèi)置接口數(shù)量不足的基本現(xiàn)狀，其次，還增加了1個L293D芯片，實現(xiàn)了對兩相/四相電動機的有效控制[5]。

1.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)需要完成對步進電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向的控制，同時還需要完成細分數(shù)的設(shè)定，其中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向控制由單片機完成，而細分數(shù)的設(shè)定則通過現(xiàn)場可編程門陣列完成。在實際調(diào)頻過程中可以通過步進頻率不變調(diào)速控制方式實現(xiàn)控制，控制方式如圖3所示[6]。

圖3 步進頻率不變調(diào)速控制方式

2 現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計

根據(jù)步進電動機的實際工作原理，采用PWM細分驅(qū)動，并根據(jù)步進電動機在實際工作中所需要具備的精度要求，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步詳細設(shè)計。該系統(tǒng)主要由以下幾個不同部分組成：PWM計數(shù)器、ROM地址計數(shù)器、ROM存儲器、比較器以及功放電路等。其中，PWM計數(shù)器的主要功能在于發(fā)出鋸齒波形，并將該波形所代表的信號加載到比較器的一端，其次，ROM也根據(jù)鋸齒波形輸出數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)則加在比較器的另一端，最終得到PWM波形。在這個過程中細分電流數(shù)值則被寄存在ROM中，而選址則由地址計數(shù)器隨機產(chǎn)生，因此，主要實現(xiàn)對地址計數(shù)器的控制則可以實現(xiàn)對步進電動機轉(zhuǎn)動的控制，同時,PWM信號也會隨著ROM中數(shù)據(jù)的變化對所輸出信號的占空比進行調(diào)控，從而實現(xiàn)細分控制，最終實現(xiàn)了步距細分的目的[7-8]。

在該系統(tǒng)中現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計是最核心的內(nèi)容，現(xiàn)場可編程門陣列芯片選擇XC2S15，VHDL編寫以及引腳分配均采用QUARTUS完成，并采用VHDL軟件進行仿真處理，從而對兩臺步進電動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)動速度以及細分的有效控制。

現(xiàn)場可編程門陣列的頂層系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

在現(xiàn)場可編程門陣列頂層設(shè)計當中配置了256以及2 560兩個不同的模塊，從而實現(xiàn)了對四相電動機的有效控制，同時，這兩個模塊也是實現(xiàn)對PWM內(nèi)部控制的模塊。

PWM內(nèi)部控制設(shè)計如圖5所示。

3 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)步進電動機在控制靈活性方面所存在的問題，設(shè)計了一種基于單片機與現(xiàn)場可編程門陣列的電動機驅(qū)動系統(tǒng)。由于使用了現(xiàn)場可編程門陣列，實現(xiàn)了步進電動機步進角的精確控制，同時也在一定程度上簡化了整個電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)的進一步發(fā)展，其在步進電動機控制中的應(yīng)用必然可以得到進一步提升。

圖4 現(xiàn)場可編程門列系統(tǒng)頂層設(shè)計

圖5 PWM內(nèi)部控制設(shè)計

參考文獻：

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