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(duì)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(duì)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。

關(guān)鍵詞： 通用陣列邏輯器件 步進(jìn)電機(jī) GAL16V8 三相六拍

步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對(duì)精度要求比較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、機(jī)械閥門控制器等。目前，對(duì)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(jí)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(duì)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(gè)很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)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(gè)狀態(tài)的變化使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1／6齒距，三相激勵(lì)規(guī)律為A-AB-B-BC-C-CA共六拍，對(duì)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(dòng)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(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GALl6V8設(shè)計(jì)邏輯電路。在此，選三個(gè)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(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(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(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。

表1 邏輯控制狀態(tài)表

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(dòng)、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速大小。

表2 狀態(tài)真值表

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)過的最小項(xiàng)，否則出現(xiàn)重復(fù)而得不到最簡式。 (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：

同樣，也可以求得P、Q的邏輯表達(dá)式

圖3

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GALl6V8來實(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：

在實(shí)際輸入時(shí)不需要加入，注釋行以"；"開始。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GALl6V8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。 這種主要由GALl6V8組成的步進(jìn)電機(jī)控制器用于對(duì)三相六拍工作制步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制，既可以獨(dú)立運(yùn)用于驅(qū)動(dòng)對(duì)象，又可以在微機(jī)管理下運(yùn)行，且不占用CPU的時(shí)間。用一片GAL便可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序電路，縮小組成系統(tǒng)的體積。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，大大加快了設(shè)計(jì)速度，減少了差錯(cuò)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，且可反復(fù)修改和編程，靈活性極強(qiáng)。