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基于GAL器件的步進(jìn)電機(jī)控制器的研究與設(shè)計(jì)
摘要：介紹了利用陣列邏輯器件GAL16V8對三相六拍步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的方法及其電路設(shè)計(jì)。通過計(jì)算機(jī)編程器對GAL進(jìn)行編程，可以滿足各種控制要求。該電路簡單，工作穩(wěn)定可靠，編程靈活方便。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對精度要求比較高的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動器、繪圖儀、機(jī)械閥門控制器等。目前，對步進(jìn)電機(jī)的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時(shí)由于分散器件的延時(shí)，其可靠性大大降低；軟件環(huán)形分配器要占用主機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低了速度；專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應(yīng)性受到限制，同時(shí)開發(fā)周期長、需求費(fèi)用較高。通用陣列邏輯GAL(Generic Array Logic)是美國Lattice公司研制的一種電可擦除的可編程的新型PLD器件。近幾年來，GAL以其高性能、高可靠性、可擦除及輸出邏輯結(jié)構(gòu)可組態(tài)等特性和100％的成品率，博得廣大用戶的信賴。它可以用來構(gòu)成譯碼器、優(yōu)先級編碼器、多路開關(guān)、比較器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、總線仲裁器等。采用GAL器件對三相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，不僅簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了成本，而且編程靈活方便，提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
1 三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制要求
矩角特性是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)一個很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進(jìn)電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩就大，運(yùn)行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情況下，三相步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍運(yùn)行方式。三相步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍運(yùn)行方式時(shí)，每個狀態(tài)的變化使電機(jī)轉(zhuǎn)動1／6齒距，三相激勵規(guī)律為A-AB-B-BC-C-CA共六拍，對應(yīng)時(shí)序如圖1所示。A、B、C分別代表接到三相步進(jìn)電機(jī)A相、B相、C相繞組的驅(qū)動脈沖。
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，也可以通過編制程序，由擴(kuò)展I／O口輸出脈沖來決定電機(jī)的運(yùn)行方式、方向及轉(zhuǎn)速。這種方式電路簡單、控制靈活，但占用CPU的時(shí)間過多，每次驅(qū)動電機(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GALl6V8設(shè)計(jì)邏輯電路。在此，選三個控制信號：(1)啟動控制信號S，當(dāng)S=1時(shí)為停止，S=0為啟動；(2)正反轉(zhuǎn)控制信號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R和C，當(dāng)R=0、C=0時(shí)，頻率為fck；R=1、C=1時(shí)，頻率為fck／2。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常都是通過改變時(shí)序脈沖的頻率來控制的，所以這里用頻率來表示轉(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人手，達(dá)到對電動機(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D型觸發(fā)器，通過C參與組合邏輯來實(shí)現(xiàn)。其邏輯電路如圖2所示。CK為控制信號，三個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)換過程。對此，可利用GAL中八個輸出邏輯宏單元中的三個來完成，電機(jī)的工作狀態(tài)(O、P、Q)中的現(xiàn)態(tài)與控制信號(S、R、D)可通過GAL的與、或陣列組合邏輯來完成。
2．1 邏輯控制狀態(tài)表
按照電機(jī)的激勵規(guī)律，在時(shí)序脈沖作用下，時(shí)序電路的狀態(tài)將在六個狀態(tài)中循環(huán)，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這里用a、b、c、d、e、f分別表示其六個狀態(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。
表1 邏輯控制狀態(tài)表
RDC
現(xiàn)態(tài)10×000010100110101111aafbfbaabbecacbbccddbdccddceceddeebfdfeeffaaeaff
表1中分頻控制量R決定C的取值，即C=RC。當(dāng)R=0時(shí)，電機(jī)按fck頻率運(yùn)行，當(dāng)R=1時(shí)，C重復(fù)取0和1，電機(jī)按fck／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、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速大小。
表2 狀態(tài)真值表
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