??? 通常,步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制是由邏輯電路實(shí)現(xiàn)的。在計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)中,也可以通過(guò)編制程序,由擴(kuò)展I/O口輸出脈沖來(lái)決定電機(jī)的運(yùn)行方式、方向及轉(zhuǎn)速。這種方式電路簡(jiǎn)單、控制靈活,但占用CPU的時(shí)間過(guò)多,每次驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),PC機(jī)都得被占用。本文采用可編程邏輯器件(PLD)中的GAL16V8設(shè)計(jì)邏輯電路。在此,選三個(gè)控制信號(hào)" title="控制信號(hào)">控制信號(hào):(1)啟動(dòng)控制信號(hào)S,當(dāng)S=1時(shí)為停止,S=0為啟動(dòng);(2)正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)D,當(dāng)D=1時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn),D=0時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn);(3)轉(zhuǎn)速切換信號(hào)R和C,當(dāng)R=0、C=0時(shí),頻率為f_ck;R=1、C=1時(shí),頻率為f_ck/2。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常都是通過(guò)改變時(shí)序脈沖的頻率來(lái)控制的,所以這里用頻率來(lái)表示轉(zhuǎn)速的改變。由于GAL器件所有觸發(fā)器的時(shí)鐘是連在一起的,不能同時(shí)引入兩種以上頻率的時(shí)鐘,因此從改造組合邏輯部分入手,達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的二分頻控制。同理也可以實(shí)現(xiàn)四相八拍、五相十拍、六項(xiàng)十二拍的步進(jìn)電機(jī)控制,這就比專用的集成電路功能更強(qiáng)。
2 采用GAL控制脈沖分配的邏輯設(shè)計(jì)
??? 若采用集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制,所用器件較多,電路一般比較復(fù)雜。為了滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速的二分頻,在同一時(shí)鐘頻率控制下,必須利用一個(gè)D型觸發(fā)器,通過(guò)C參與組合邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。其邏輯電路如圖2所示。CK為控制信號(hào),三個(gè)D型觸發(fā)器的輸出O、P、Q分別接步進(jìn)電機(jī)的三項(xiàng)繞組。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相數(shù)及控制要求,必須有相應(yīng)于相數(shù)的延遲觸發(fā)器保持現(xiàn)態(tài)與次態(tài)間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。對(duì)此,可利用GAL中八個(gè)輸出邏輯宏單元中的三個(gè)來(lái)完成,電機(jī)的工作狀態(tài)(O、P、Q)中的現(xiàn)態(tài)與控制信號(hào)(S、R、D)可通過(guò)GAL的與、或陣列組合邏輯來(lái)完成。

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2.1 邏輯控制狀態(tài)表
??? 按照電機(jī)的激勵(lì)規(guī)律,在時(shí)序脈沖作用下,時(shí)序電路的狀態(tài)將在六個(gè)狀態(tài)中循環(huán),驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這里用a、b、c、d、e、f分別表示其六個(gè)狀態(tài),即a=100、b=110、c=010、d=011、e=001、f=101。根據(jù)邏輯電路圖可得其狀態(tài)表,如表1所示。

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??? 表1中分頻控制量R決定C的取值,當(dāng)R=0時(shí),電機(jī)按f_ck頻率運(yùn)行,當(dāng)R=1時(shí),C重復(fù)取0和1,電機(jī)按f_ck/2頻率運(yùn)行。
2.2 狀態(tài)真值表
??? 由表1可得狀態(tài)真值表,如表2所示。表中O、P、Q狀態(tài)是在時(shí)鐘脈沖控制下變化的,在控制變量的控制下,決定電機(jī)的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速大小。

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2.3 卡諾圖
??? 在卡諾圖中,輸入變量分兩排表示,變量的取值次序按照循環(huán)碼排列。這種排列方法使得卡諾圖中幾何上相鄰的兩個(gè)小方塊所代表的最小項(xiàng)只有一個(gè)變量不同,這正是利用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的基礎(chǔ)。
??? 對(duì)于多變量輸入,使用卡諾圖時(shí)要注意以下幾點(diǎn):
??? (1)按照“最少、最大”的原則(即圈數(shù)最少,圈內(nèi)的最小項(xiàng)個(gè)數(shù)盡可能多)圈起所有取值為1的相鄰相。
??? (2)卡諾圖中四個(gè)角與兩對(duì)邊的各項(xiàng)也是相鄰的,卡諾圖里上、下或左右部分中對(duì)稱的項(xiàng)也是相鄰的。
??? (3)每圈一個(gè)矩形圈時(shí),必須至少包含一個(gè)在其它圈中未出現(xiàn)過(guò)的最小項(xiàng),否則出現(xiàn)重復(fù)而得不到最簡(jiǎn)式。
??? (4)每一個(gè)取值為“1”的小方塊都可以被圈多次,但不能遺漏,最小圈可以只包含一個(gè)小方塊,即不能簡(jiǎn)化。
??? 以O(shè)為例,由狀態(tài)真值表可得其卡諾圖,如圖3所示。根據(jù)圈數(shù)和最小項(xiàng)可得其邏輯表達(dá)式為:
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??? 同樣,也可以求得P、Q的邏輯表達(dá)式。
3 GAL的軟件設(shè)計(jì)
3.1 GAL器件選型及引腳變量分配
??? GAL器件有多種型號(hào),根據(jù)設(shè)計(jì)的需要,同時(shí)從經(jīng)濟(jì)的角度考慮,選用GAL16V8來(lái)實(shí)現(xiàn)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制。
3.2 GAL源文件設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)控制要求和編程格式,對(duì)已得到的時(shí)序邏輯方程編寫的源文件如下:
??? 01 GAL?????? ;PLD type
??? 02?DESIGNED BY ZANGLILIN
??? 03?28/10/2003
??? 04?? MOTOR CONTROL
??? 05?? X Y S R D H I J K GND;GAL PIN LIST
??? 06?? M? N? A? B? C? O? P? Q? Z? VCC
??? 07? O:=/O*/P*Q*D*/S*/C+/O*P*/Q*/D*/S*/C+O*P*/Q*/S*R*C
??? 08??? +O*/P*/S*R*C+O*/P*D*/S*/C+O*/Q*/D*/S*/C
??? 09? P:=/O*/P*Q*/D*/S*/C+O*P*/Q*/S*R*C+/O*P*/Q*D*/S*/C
??? 10??? +/O*P*/S*R*C+/O*P*/D*/S*/C+O*/Q*D*/S*/C
??? 11? Q:=/O*/P*Q*/D*/S*/C+O*/P*Q*/S*R*C+O*/P*/D*/S*/C
??? 12??? +/O*P*D*/S*/C+/O*Q*/S*R*C+/O*Q*D*/S*/C
??? 13? C:=R*/C
??? 14? DESCRIPTION
??? 在上述的源文件中,行號(hào)是為了描述方便而加入的,在實(shí)際輸入時(shí)不需要加入,注釋行以“:”開(kāi)始。將上述源文件輸入計(jì)算機(jī),再對(duì)文件進(jìn)行編譯或匯編以生成JEDEC文件、引腳配置圖、熔絲圖等。用編程器對(duì)GAL器件進(jìn)行編程,編程器在編程結(jié)束后還具有對(duì)編程芯片所有的存儲(chǔ)單元進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)的功能。
4 系統(tǒng)的硬件連接
??? 電路原理圖如圖4所示,左邊為GAL16V8芯片的引線圖,S、D、R分別決定電機(jī)的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速大小,輸出O、P、Q分別接電機(jī)的A、B、C三個(gè)線包。圖中只給出一個(gè)線包的驅(qū)動(dòng)電路。注意:GAL元件不用的引腳應(yīng)該直接接地或接電源,不要懸空,否則會(huì)增大功耗,降低抗干擾能力。

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