現場可編程門陣列步進電動機驅動系統設計

汪明珠， 毛德梅， 黃 濟， 李澤彬， 朱雪梅

(皖西學院， 安徽 六安 237012)

0 引 言

步進電動機是一種將電脈沖信號轉化為轉角位移的電器元件，在多種機械與設備中都具有較為廣泛的應用。步進電動機的工作原理是根據其所接受的電脈沖信號的個數輸出與其完全成正比的轉角位移。傳統單片機控制方式在靈活性方面存在著較大的缺陷，無法滿足實際應用的需求，因此，開發新的步進電動機具有一定的必要性[1]。利用現場可編程門陣列所設計的數字比較器能夠同時產生多種不同類型的脈沖寬帶調制波形，同時現場可編程門陣列內置的嵌入式陣列塊能夠暫時存放。首先,不同相控制波形數據表，因此這種控制方法更加靈活。其次,通過現場可編程門陣列還可以對數據表中的相關數據進行修改，并提升計數器的精確性，最終實現了步進電動機的細分，真正實現了對轉角位移的精確控制。通過現場可編程門陣列實現對不同相波形的控制，并不需要外接轉換器，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場可編程門陣列為基礎進行步進電動機驅動系統的設計。

1 驅動系統的系統構成

在本次設計中系統構成如圖1所示。

圖1 系統組成

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

1.1 硬件系統

設計的步進電動機控制系統中，單片機與現場可編程門陣列是最核心的驅動技術，因此，該系統的硬件構成也是以單片機與現場可編程門陣列為基本核心硬件，系統硬件電路如圖2所示。

圖2 系統電路

驅動系統所采用的單片機為飛利浦P89V53RB2芯片，其向現場可編程門陣列所傳輸的控制信號是通過P0接口所傳遞的。由于該單片機內置的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。同時將現場可編程門陣列的管腳設定為43～36，其主要目的在于完成轉向、轉速以及細分數的設定，其中細分數的設定需要通過S0～S2三個引腳來實現，S0～S2所對應的細分數見表1[4]。

表1 S0～S2所對應的細分數

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

1.2 軟件系統

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

圖3 步進頻率不變調速控制方式

2 現場可編程門陣列設計

根據步進電動機的實際工作原理，采用PWM細分驅動，并根據步進電動機在實際工作中所需要具備的精度要求，對系統結構進一步詳細設計。該系統主要由以下幾個不同部分組成：PWM計數器、ROM地址計數器、ROM存儲器、比較器以及功放電路等。其中，PWM計數器的主要功能在于發出鋸齒波形，并將該波形所代表的信號加載到比較器的一端，其次，ROM也根據鋸齒波形輸出數據，所得到的數據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值則被寄存在ROM中，而選址則由地址計數器隨機產生，因此，主要實現對地址計數器的控制則可以實現對步進電動機轉動的控制，同時,PWM信號也會隨著ROM中數據的變化對所輸出信號的占空比進行調控，從而實現細分控制，最終實現了步距細分的目的[7-8]。

在該系統中現場可編程門陣列設計是最核心的內容，現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轉向、轉動速度以及細分的有效控制。

現場可編程門陣列的頂層系統設計如圖4所示。

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

PWM內部控制設計如圖5所示。

3 結 語

針對傳統步進電動機在控制靈活性方面所存在的問題，設計了一種基于單片機與現場可編程門陣列的電動機驅動系統。由于使用了現場可編程門陣列，實現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動控制系統。隨著現場可編程門陣列技術的進一步發展，其在步進電動機控制中的應用必然可以得到進一步提升。

圖4 現場可編程門列系統頂層設計

圖5 PWM內部控制設計

參考文獻：

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