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基于CPLD的步進電機驅動模塊設計
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摘要: 數控技術是以數字量編程實現控制機械或其他設備自動工作的技術,數控機床就是采用了數控技術的機床,或者說裝備了數控系統(tǒng)的機床。機床數控系統(tǒng)主要由幾個部分組成:零件加工程序的輸入、數據處理、插補計算和運動機構的控制。本文主要介紹最后一個部分運動機構的控制,即如何控制電機的動作??蛇x的電機有很多種,在這里我們選擇步進電機。
關鍵詞: CPLD 步進電機 驅動
Abstract:
Key words :

0引言

數控技術是以數字量編程實現控制機械或其他設備自動工作的技術,數控機床就是采用了數控技術的機床,或者說裝備了數控系統(tǒng)的機床。機床數控系統(tǒng)主要由幾個部分組成:零件加工程序的輸入、數據處理、插補計算和運動機構的控制。本文主要介紹最后一個部分運動機構的控制,即如何控制電機的動作??蛇x的電機有很多種,在這里我們選擇步進電機。

步進電機是數字控制電機,是一種將電脈沖轉換成角位移的精密執(zhí)行元件。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的,每給步進電機發(fā)一個脈沖電機就旋轉一個固定的角度,只要脈沖數發(fā)的正確,電機就能走到位,無累積誤差,所以對步進電機的控制可以采用開環(huán)控制方法。如何精確且經濟的控制步進電機成為廣大研究人員探討的課題。本文將采用CPLD來實現對步進電機的控制。并最終通過實驗仿真結果。

1步進電機驅動原理

步進電機的驅動是靠給步進電機的各相勵磁繞組通電,實現步進電機內部磁場方向的變化來使步進電機轉動的。設我們所用的步進電機是四相的,這四相分別為A,B,C,D,對應于四對磁極。每個磁極的內表面都分布著大小,齒間距相同的多個小齒(不同的步進電機,小齒的個數不同),假設Ⅳ為轉子中小齒的個數。當這4相按A—B—C—D的順序通電時,步進電機的內部磁場變化一周(360°),此種通電方式為單相四拍通電方式,此時步進電機的步距角:
θ=90°/N
若N=50,則θ=1.8°
如果選擇的通電順序為A—AB—B—BC—C—CD—D—AD,此種通電方式為雙相八拍通電方式,此時步進電機的步距角為:
θ=45°/N
若N=50,則θ=0.9°
步距角是步進電機一次能轉過的最小角度,電機的步距角越小,說明電機走的越精確,所以本文選擇驅動電機通電的方式為雙相八拍通電方式。

2設計方案

一個完整的,控制精度高的步進電機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。CPLD和步進電機的驅動器相連,驅動器把CPLD輸出的信號放大后送入步進電機,由于數控機床的各個軸是靠電機的轉動來帶動的,所以電機的轉動帶動相應軸的動作。

各組成模塊功能描述如下:

2.1CPLD模塊

使用CPLD來控制步進電機實現電機的啟動、停止以及正反轉。傳統(tǒng)的方式是用單片機來控制步進電機,但是在一個數控系統(tǒng)中單片機要做的工作很多,比如單片機既要控制步進電機還要接受上位機的數據做相應的運算,還要控制顯示模塊,以及報警處理等,如果改用CPLD來驅動步進電機則可以減輕單片機的負擔。用大規(guī)??删幊踢壿嬈骷鳛榭刂破鳎梢苑从吵鯟PLD在控制方面起到較高的作用,而不是僅僅作為邏輯器件來使用。并且CPLD具有較為經濟的價格。

另外CPLD的外圍接口也較多,比如以ALTERA公司生產的EPM7032為例,它的I/O口有36個,內部的邏輯門有600多個,除了驅動步進電機所用的資源外,其余剩余的資源還可在系統(tǒng)中做其他用途。

在實際電路板設計階段,如果用傳統(tǒng)的設計方法設計電路必須首先決定使用的器件類別和規(guī)格,然后從繪制硅片版圖開始,逐級向上,直至整個系統(tǒng)的設計。在這個過程中如果有哪一級發(fā)生問題必須返工重來,整個電路板將報廢。但是如果使用CPLD,設計方法是自頂向下的設計方法,就是在整個設計流程中各設計環(huán)節(jié)逐步求精的過程。比如在我們設計的一開始就可以先把CPLD和驅動器相連,再通過軟件的設置來利用到我們已經連好的引腳,如果程序出現錯誤,可以同過ISP(在系統(tǒng)可編程的方法)把新的程序裝載到CPLD中,而不用更換電路板。

2.2驅動器模塊

步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動,這種裝置就是步進電機驅動器,由于CPLD輸出的信號還不足以驅動電機使電機轉動,所以在CPLD和步進電機之間要連接驅動器,放大CPLD輸出的信號。CPLD每發(fā)一個脈沖信號,通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。因而控制送入步進電機脈沖頻率,可以對電機進行調速。脈沖發(fā)的快電機運行的快,脈沖發(fā)的慢電機運行的慢。對于電機轉速的控制可以間接通過調整對送入CPLD中CLK脈沖的頻率來實現;控制步進脈沖的個數,可以對電機進行精確定位。

3軟件實現

本文通過對CPLD進行編程來實現對步進電機的控制,使用的語言是VHDL語言,使用的編程環(huán)境是MAX+PLUSII??刂瞥绦蛴蓛纱蟛糠謽嫵?,一是實體部分,二是結構體部分,實體的作用是描述端口的信息,結構體的作用是描述電路的功能。

3.1實體部分

在實體中定義了6個端口。
CLK:時鐘信號
reset:復位信號
DIR:正轉信號
START:啟動信號
STOP:停止信號
phase:輸出信號

3.2結構體部分

在軟件設計中,重點是先正確寫出雙相八拍通電方式下的狀態(tài)轉換表。

表1中‘1’表示通電,‘0’表示斷電,S0~S7分別表示按A—AB—B—BC—C—CD—D—AD通電方式下的8個狀態(tài)。在此種狀態(tài)順序下電機正轉,反之電機反轉。表中的S0~S7都是以二進制數來表示,如果轉換為十六進制數則分別為1,3,2,6,4,C,8,9。

程序的結構體部分由3部分組成:說明部分,主控時序進程,主控組合進程。在說明部分中定義相關的信號及常數;在主控時序進程中負責把計算好的次態(tài)的信息送入初態(tài),并負責最后的輸出;在主控組合進程中負責相關的計算,比如判斷啟動和停止,正轉和反轉,以及在正反轉狀態(tài)下如何取下一個狀態(tài)。下面這段程序就是結構體里主控組合進程中,如何判斷電機正反轉和下一步電機將如何動作的程序段。


3.3系統(tǒng)仿真結果

整個控制程序的軟件波形仿真如下:

從圖2中可以看到,在模擬步進電機啟動、停止、正反轉時電機的狀態(tài)。比如在復位后當START=‘1’時,如果這時DIR=‘1’表示電機是正轉,則電機的通電狀態(tài)是A—AB—B—BC—C—CD—D—AD,對應的CPLD的輸出狀態(tài)就為S0~S7。當DIR=‘0’時表示電機是反轉,就圖2的截圖來說在CLK的上升沿時,輸出是狀態(tài)S2,因為它的前一個狀態(tài)從圖上我們可以看出是S1。

4結束語

在數控系統(tǒng)中我們希望達到準確、高效、經濟的控制,在運動機構的控制這一環(huán)節(jié),通過CPLD可以起到很好的效果,首先可以簡化硬件電路,提高電路的可靠性,其次可以通過對器件進行編程來改變器件的結構,達到我們預期的功能,并且通過ISP在系統(tǒng)可編程的方法把程序加載到器件上。

通過CPLD可控制步進電機的啟動、停止、以及正反轉,本文通過軟件仿真,驗證了方案的正確性。本文所列舉的電機是四相的,如果是三相或是五相電機,都可按本文的方法實現,如果對電機采用的單相通電的方法,也可按本文的方法實現,同樣只須稍微修改參數即可。

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