CPLD在脉冲分配电路设计中的应用0

1、CPLD 在脉冲分配电路设计中的应用田玉利1,2 高 伟1 杨光宏1,2 黎向阳1,2（中国科学院西安光学精密机械研究所1， 西安 710119；中国科学院研究生院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：介绍了一种四相反应式步进电动机脉冲分配电路（脉冲分配器）的设计方法，该设计能够根据输入正确实现换向、启动和停止，而且该设计可以实现四相八拍两种工作方式可选功能，过流、过压保护使该设计更趋实用。该脉冲分配器电路采用基于Mealy状态机机理的VHDL描述，语言代码通过了Quartus II的编译和仿真，并给出了仿真波形。最后，对步进电动机的驱动电路也进行了介绍。关键词：步进电动机；脉冲分配电路；状态机中图分类号：TM383.6 文献标识码：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 言步进电动机是一种变磁阻式电动机。它的结构简单、价格便宜、工作可靠，能将数字的电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动，是一种比较理想的数控元件。它具有快速起停、精确步进、没有积累误差且能直接接收数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。脉冲分配器是步进电动机运动控制系统的重要组成部分。它的作用是把输入脉冲按一定的逻辑关系转换为合适的脉冲序列，然后通过驱动电路加到步进电动机的相绕组上，使电动机按一定的方式工作。111脉冲分配

6、器的实现方法很多，既可以用硬件电路实现，也可以通过逻辑代数运算用软件的方法来实现，对此文献1、2和3进行了介绍。用CPLD/FPGA来实现的方法，文献4也作了介绍。本文介绍的方法正是基于CPLD/FPGA，采用VHDL编写，整个程序用状态机来实现，用状态机编写的代码，看起来比较直观、容易理解，修改也比较方便，相对于用硬件电路实现方法和通过逻辑代数运算用软件来实现的方法来说，具有较强的可移植性和可扩展性，同时由于高集成性，稳定性也得到提高。可编程逻辑器件FPGA（Field Programmable Gate Array）和CPLD(Complex Programmable Logic Devi

7、ce具有开发简单，静态可重复编程和动态在系统编程的特点，已经成为当今应用最为广泛的两类可编程专用集成电路，CPLD/FPGA基本上可以完成所有数字器件的功能，下至简单的74电路，上至高性能的CPU都可以用它们实现。VHDL （VHSIC Hardware Description Language）是在80年代后期由美国国防部开发的一种硬件描述语言,它经过了IEEE的标准化，几乎所有厂商生产的CPLD/FPGA都支持该设计语言，这就使得它变得更加通用，所以用VHDL来设计步进电动机的脉冲分配电路具有代表性。2 步进电动机的脉冲分配方式本文以四相反应式步进电动机为例进行介绍，四相反应式步进电动机有

8、三种工作方式:四相单四拍、四相双四拍和四相八拍。四相单四拍按照A-B-C-D-A方式运行，四相双四拍按照AB-BC-CD-DA-AB方式运行，而四相八拍则按照A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或者按照AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB-AB方式运行。电动机单四相四拍工作时每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差，另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种工作方式；电动机四相双四拍工作时，有两相控制绕组同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高，另外，转换时始终有一

9、相的控制绕组通电，所以工作稳定可靠，不易失步；电动机按四相八拍方式工作时，是单双相轮流通电或者两相和三相控制绕组轮流通电，具有双四拍的特点，且通电状态增加了一倍，而使步距角减少一半。3步进电动机的脉冲分配方式也会影响电动机的负载能力和启动频率，因此，正确选择步进电动机的脉冲分配方式对电机正常运行非常重要。本设计具有脉冲分配方式可选的功能，主要是四相八拍两种工作方式的选择。3 脉冲分配电路设计整个设计有如下几个输入输出信号，各个信号含义如下：clk，步进电动机时钟信号；dir，转向控制信号；st，步进电动机启停控制信号；ovc，过流/过压保护信号； s，工作方式选择信号；A，B，C，D为步进电动

10、机四相通电绕组。该设计由状态机的设计思想来实现，clk的上升沿到来一次控制绕组由一种通电状态转换到另一种通电状态；dir为电机正反转控制信号，dir=1时，电动机正转，dir=0时电动机倒转；st为电动机启停控制信号，st=1时，电动机正常运转，st=0，电动机停转，并维持停转前的状态；ovc为过流/过压保护信号，当过流或过压时封锁输出，对驱动电路起到保护作用；s为工作方式选择信号，s=1时，按照A AB B BC C CD D DA - A方式运行，s=0时，按照AB ABC BC BCD CD CDA DA DAB - AB方式运行。3.1 VHDL编程实现为了正确的控制电动机运作，特意设

11、计了9种工作状态，state0-state8，其中state8对应输出全部为0的状态，由s来选择对两种工作方式进行选择，每种工作状态对应一定的输出，工作状态由当前工作状态和dir、st和ovc来确定。整个结构体由三个进程来组成，第一个进程完成当前工作状态和下一个工作状态的切换，第二个进程完成下一个工作状态的确定，最后一个进程则完成在当前工作状态下的输出信号输出。状态转换表如表1所示，第1行表示当过压或过流时由状态0跳变到状态8，即输出全部为零，第2行表示启动信号有效、没有过流且电动机反转时，由状态0跳变到状态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 状态转换表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图1 s=

15、1时正转波形 图2 s=0时正转波形图1和图2给出了部分仿真波形，波形仿真的其它功能也都符合要求，能正确完成预期的功能，在此仅给出两幅波形仿真图，图1为s=1时正转波形，图2为s=0时正转波形。 4 驱动电路虽然步进电动机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远不足以驱动步进电动机。因此，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电动机。由于步进电动机的相绕组本身是一个电感，流经其中的电流不能突变，相电流从零上升至额定值和从额定值下降到零，都需要一定的时间。当步进电动机高速工作时，这些延迟时间将显著影响步进电动机的性能，使得输出转矩急速下降。此外，电流截止时，在相绕组的两

16、端还会产生很高的反电动势，威胁功率开关元件的安全。因此，对步进电动机驱动电路有1如下一般要求:一、能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形；二、具有供截止期间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电动势，加快电流衰减；三、功耗低，效率高。除此之外，在一些有特殊要求的应用场合，为了提高步进电动机定位的分辨率，减小过冲和抑制振荡，驱动电路还要有细分功能。1细分驱动技术使步进电动机步距细化，分辨率有所提高，振动噪声和转矩波动问题得到很大改善，运转更为平稳，使步进电动机在高级控制系统中获得更大的竞争力。5 结束语本文作者创新点：本步进电动机脉冲分配电路设计突破了常规的用硬件电路实现，或者

17、是通过逻辑代数运算用软件来实现的方法限制采用CPLD/FPGA来实现四相反应式步进电动机的脉冲分配电路，新增的过流过压保护功能是该设计更加实用，仿真结果显示它能很好的满足所要求的功能，同时节约资源，降低了设计成本。参考文献1高钟毓.机电控制工程（第2版）M.北京：清华大学出版社,2001.124-152.2王玉琳，陈甦欣.步进电动机的软件脉冲分配J.制造技术与机床，2006，7：23-253钱 平.伺服系统M.北京：机械工业出版社,2005.46-64.4洪维华，阎治安，易萍虎.一种新型步进电机脉冲分配器的研究J.微电机，2004，37-2：24-27.5王登贵，杨中平，胡真名.基于PLC 的四相步进电机控制方法及实现J.微计算机信息，2006，12-1:36-37.6王玉琳.步进电动机可变细分驱动器J.微特电机, 2005，4:28-30.作者简介：田玉利（1982-），男，河南人，汉族，中国科学院西安光机所在读硕士，研究方向为FPGA、计算机控制技术。高伟(1966-，男，陕西人，现为中科院西安光机所研究员，主要从事光电信息处理方向的研究。Biography: Tian