基于EDA技術的步進電機控制電路設計

楊顯富,丁中木梁

(1.成都大學電子信息工程學院,四川成都 610106;2.成都大學實驗技術中心,四川成都 610106)

0 引 言

步進電機是一種把脈沖信號轉換為相應的角位移,并用脈沖信號進行控制的特殊運行方式的同步電動機.在額定負載范圍內,它的角位移量和轉速不因供電電壓、負載、環境條件的波動而變化,因而很適合工作在簡單的開環控制系統中,這些優點使步進電機得到了廣泛的應用[1].步進電機運行通常要經歷起動、恒速、停止3個過程,由于啟動過程是一個增速過程,和恒速運行相比電機還要多增加克服加速產生的慣性轉矩的負擔,且增速越快,慣性轉矩越大,如果負載轉矩加慣性轉矩超過了步進電機能提供的電磁轉矩就會出現“失步”;反之,停止過程是一個減速過程,減速過快容易出現“越步”現象.為了實現精確控制,必須對步進電機的增速和減速過程加以控制,使其滿足應用所希望的增、減速規律.由于步進電機的轉速與加給它的電脈沖頻率成線性正比關系,要控制轉速的遞增與遞減,只要控制脈沖頻率的遞增與遞減就能達到目的.為此,本文采用VHDL硬件描述語言設計了一款用于步進電機的脈沖頻率控制電路,和普通的數字電路設計相比,這種基于EDA技術的設計更具優勢,其方便的仿真功能,使設計過程更輕松快捷.

1 步進電機的加減速控制策略

目前,對步進電機的加減速控制有很多方法,如梯形圖法、指數法、拋物線法等[2],本設計采用梯形圖法.如圖1所示,t0～t1時段是步進電機的起動過程,驅動步進電機的脈沖頻率按一定斜率線性遞增;t1～t2時段是恒速運行階段,脈沖頻率不變;t2～t3是停止過程,頻率按一定斜率線性遞減.梯形圖法的特點是頻率變化呈線性規律,這里采用頻率線性遞增與遞減是考慮到可使起動與停止為一個勻加速與勻減速過程,而勻加速勻減速所產生的慣性轉矩是一個恒值,只要選擇好頻率上升(下降)斜率,做到負載轉矩加慣性轉矩不超過所選步進電機能提供的最大電磁轉矩,就可避免電機出現“失步”和“越步”現象.

圖1 驅動步進電機的脈沖頻率變化規律示意圖

按圖1所示的脈沖頻率變化規律完成電路設計的關鍵在頻率上升和下降這兩段,在數字電路中要實現脈沖信號頻率變化最簡單的方法就是分頻[3,4],但分頻所得到的一系列脈沖信號之間只能做到周期呈線性變化,而頻率呈線性變化卻難以做到.為此,本文引入DDS的變頻思想來實現圖1提出的技術要求.

2 DDS變頻與變頻電路設計

2.1 DDS變頻原理

DDS是一種全數字化的頻率合成技術[5,6],由它合成的信號,其頻率和相位都能線性可控.DDS的頻率可變是基于相位增量累加的思想(見圖2):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制 n位,當累加值大等于2n時產生溢出,累加仍然在進行,相位累加寄存器的值又一輪從小到大變化,直到再次溢出.顯而易見,溢出速率高低和相位增量有關,增量值越大,累加到溢出的速度越快,即溢出率和相位增量成線性正比關系.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獲得對應的不同頻率的脈沖信號.

圖2 DDS變頻原理示意圖

2.2 可控自動變頻電路設計

圖3 可控自動變頻原理示意圖

從圖2可以看出,要從Co獲得某個恒頻脈沖,只需輸入一個固定的頻率控制字就行了,而要獲得頻率的遞增與遞減則需要讓頻率控制字的值按線性規律遞增與遞減.為了實現上述功能,可將圖2稍加改進,把相位增量寄存器改為相位增量計數器(見圖3).設相位增量計數器為二進制 m位,通過起/停控制輸入起動指令后,在時鐘脈沖clk作用下,相位累加器對相位增量△a進行累加,溢出后,用 Co脈沖一個周期中的上升沿或下降沿作為相位增量計數器的時鐘觸發信號,對輸入的初始相位增量做一次累加計數,使△a增大為初始值的2倍.之后,相位累加器完成第二輪累加溢出,輸出 Co第二個周期的脈沖.這個脈沖的頻率將是第一次輸出的2倍,而第二個周期脈沖的跳沿再次觸發相位增量計數器對初始相位增量作第二次累加,使△a為初值的3倍.依此類推,不難看出,Co脈沖信號每個周期頻率等值遞增一次,遞增幅度受控于初始相位增量,給定初始相位增量越大,頻率增幅越大,頻率上升越快,初始相位增量可以控制圖1中 t0～t1時段脈沖頻率的上升斜率.當相位增量計數器在 Co脈沖作用下對初始相位增量作累加計數直到相位增量△a大于或等于輸入給定的最大相位增量后停止累加計數.此后Co輸出恒頻脈沖,恒定頻率的高低由最大相位增量控制,給定最大相位增量越大,恒頻頻率越高,這就實現了圖1中 t1～t2時段對脈沖頻率的要求.同時,圖3中的相位增量計數器為可逆計數器,在 Co恒頻輸出期間,通過起/停控制發出停止指令后,相位增量計數器在 Co脈沖作用下對初始相位增量作遞減計數,相位增量△a由最大相位增量開始遞減(遞減幅度和遞增幅度相同由初始相位增量決定), Co脈沖頻率也隨之遞減,這一過程滿足了圖1中 t2～t3時段對脈沖頻率的要求.

3 控制電路的VHDL描述與仿真

圖4 脈沖頻率控制器原理示意圖

對圖3中的相位累加器和相位增量計數器分別用VHDL語言進行描述后,就可在圖形編輯界面做原理圖連接設計.圖4為設計完成的脈沖頻率控制器原理圖.圖4中,模塊為相位累加器, fout為脈沖輸出信號,模塊為相位增量計數器,lean為初始相位增量,用于控制輸出脈沖頻率的變化斜率,max為最大相位增量,用于控制恒頻工作的頻率.與圖3相比,圖4增加了指令寄存器INSTRUCTION模塊,這是為方便控制而設置的,clk為電路的工作時鐘信號,rst為復位信號,up為起動信號,down為停止信號.

圖5是電路的仿真波形.圖5中的fout輸出是在給定最大相位增量為60,初始相位增量為3的情況下仿真出的脈沖波形.可見,在輸入 up、down的控制下,fout波形前段是頻率遞增過程,中間是恒頻過程,后段是頻率遞減過程.

圖5 控制電路仿真波形圖

4 結 語

本文從分析步進電機工作過程入手,結合步進電機運行特點,針對其起動和停止過程可能出現的“失步”和“越步”現象,采取頻率線性遞增和遞減的方案來控制步進電機.用DDS中相位累加實現變頻,較之采用分頻變頻的思路,能圓滿獲得頻率線性變化結果.采用VHDL語言描述電路邏輯功能使設計更為輕松快捷,所設計的電路功能完備,尤其是增頻斜率可控,最高脈沖頻率可控,為步進電機應用在不同場合提供了方便.同時,對設計電路經過EDA技術的編譯、綜合后再進行波形仿真.結果表明,電路輸出的脈沖頻率變化規律完全滿足設計期望.

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