數(shù)控系統(tǒng)中基于CPLD的步進電機驅(qū)動模塊的設(shè)計

摘要：介紹一種采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?strong>CPLD來控制步進電機的方法，對電機的控制方式為四相八拍。通過對CPLD進行編程，從而對電機達到啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的控制。采用的編程語言為VHDL語言，使用的編程環(huán)境為MAX+PLUSⅡ。最后通過軟件仿真達到精確的仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞：CPLD；控制；步進電機；VHDL

0 引言
    數(shù)控技術(shù)是以數(shù)字量編程實現(xiàn)控制機械或其他設(shè)備自動工作的技術(shù)，數(shù)控機床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。機床數(shù)控系統(tǒng)主要由幾個部分組成：零件加工程序的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補計算和運動機構(gòu)的控制。本文主要介紹最后一個部分運動機構(gòu)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(shù)字控制電機，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移的精密執(zhí)行元件。它的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一個固定的角度，只要脈沖數(shù)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(jīng)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(xiàn)對步進電機的控制。并最終通過實驗仿真結(jié)果。

1 步進電機驅(qū)動原理
    步進電機的驅(qū)動是靠給步進電機的各相勵磁繞組通電，實現(xiàn)步進電機內(nèi)部磁場方向的變化來使步進電機轉(zhuǎn)動的。設(shè)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(yīng)于四對磁極。每個磁極的內(nèi)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(shù)不同)，假設(shè)Ⅳ為轉(zhuǎn)子中小齒的個數(shù)。當這4相按A—B—C—D的順序通電時，步進電機的內(nèi)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(zhuǎn)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(qū)動電機通電的方式為雙相八拍通電方式。

2 設(shè)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(qū)動器相連，驅(qū)動器把CPLD輸出的信號放大后送入步進電機，由于數(shù)控機床的各個軸是靠電機的轉(zhuǎn)動來帶動的，所以電機的轉(zhuǎn)動帶動相應(yīng)軸的動作。

    各組成模塊功能描述如下：
2．1 CPLD模塊
    使用CPLD來控制步進電機實現(xiàn)電機的啟動、停止以及正反轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的方式是用單片機來控制步進電機，但是在一個數(shù)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(shù)據(jù)做相應(yīng)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(qū)動步進電機則可以減輕單片機的負擔。用大規(guī)模可編程邏輯器件作為控制器，可以反映出CPLD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(jīng)濟的價格。
    另外CPLD的外圍接口也較多，比如以ALTERA公司生產(chǎn)的EPM7032為例，它的I／O口有36個，內(nèi)部的邏輯門有600多個，除了驅(qū)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(shè)計階段，如果用傳統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)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(shè)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(shè)計方法是自頂向下的設(shè)計方法，就是在整個設(shè)計流程中各設(shè)計環(huán)節(jié)逐步求精的過程。比如在我們設(shè)計的一開始就可以先把CPLD和驅(qū)動器相連，再通過軟件的設(shè)置來利用到我們已經(jīng)連好的引腳，如果程序出現(xiàn)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(qū)動器模塊
    步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，由于CPLD輸出的信號還不足以驅(qū)動電機使電機轉(zhuǎn)動，所以在CPLD和步進電機之間要連接驅(qū)動器，放大CPLD輸出的信號。CPLD每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)速的控制可以間接通過調(diào)整對送入CPLD中CLK脈沖的頻率來實現(xiàn)；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機進行精確定位。
3 軟件實現(xiàn)
    本文通過對CPLD進行編程來實現(xiàn)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。控制程序由兩大部分構(gòu)成，一是實體部分，二是結(jié)構(gòu)體部分，實體的作用是描述端口的信息，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)信號
    START：啟動信號
    STOP：停止信號
    phase：輸出信號
3．2 結(jié)構(gòu)體部分
    在軟件設(shè)計中，重點是先正確寫出雙相八拍通電方式下的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，反之電機反轉(zhuǎn)。表中的S0～S7都是以二進制數(shù)來表示，如果轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)則分別為1，3，2，6，4，C，8，9。
    程序的結(jié)構(gòu)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(guān)的信號及常數(shù)；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(guān)的計算，比如判斷啟動和停止，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以及在正反轉(zhuǎn)狀態(tài)下如何取下一個狀態(tài)。下面這段程序就是結(jié)構(gòu)體里主控組合進程中，如何判斷電機正反轉(zhuǎn)和下一步電機將如何動作的程序段。
   
3．3 系統(tǒng)仿真結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，則電機的通電狀態(tài)是A—AB—B—BC—C—CD—D—AD，對應(yīng)的CPLD的輸出狀態(tài)就為S0～S7。當DIR=‘0’時表示電機是反轉(zhuǎn)，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(jié)束語
    在數(shù)控系統(tǒng)中我們希望達到準確、高效、經(jīng)濟的控制，在運動機構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)，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(xiàn)，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(xiàn)，同樣只須稍微修改參數(shù)即可。