基于 CPLD 的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第I頁基于 CPLD 的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)摘要隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件在當(dāng)今得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過分析可編程邏輯器件的工作特點(diǎn)，對(duì)可編程邏輯器件作為步進(jìn)電機(jī)控制器的可行性進(jìn)行了探討，并與單片機(jī)進(jìn)行比較（單片機(jī)是傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制器核心），得出了使用可編程邏輯器件作為步進(jìn)電機(jī)控制器，相比較于單片機(jī)而言更具有優(yōu)越性的結(jié)論。基于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了可編程邏輯器件的使用作為一個(gè)開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)控制方案。該方案控制器的理論輸出波形通過進(jìn)行編程和仿真在Max+plusII軟件上可以得出。通過對(duì)仿真波形的詳細(xì)分析，表明該方案在理論

2、上是成立的。為了證實(shí)該控制器的實(shí)際可行性，本文在通過方案理論仿真的基礎(chǔ)上對(duì) Altera 公司生產(chǎn)的 CPLD 芯片 EPM7128SLC84-7 進(jìn)行了程序燒寫，為了付諸實(shí)踐進(jìn)而設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而完成了對(duì)實(shí)物電機(jī)的控制。通過實(shí)踐，證明了該方案的實(shí)際可行性。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；可編程邏輯器件；MAX+plus II；控制遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第II頁CPLD-based Design of The Stepper MotorControllerAbstractWith the development of microelectronic technology, p

3、rogrammable logic device has been widely used in modern world. This paper discusses the feasibility of programmable logic device as a stepper motor controller by analyzing the characteristics of programmable logic device. Compared with single-chip which is the core of the traditional stepper motor c

4、ontroller , I draw a conclusion that programmable logic device as a stepper motor controller more superior than single-chip. Through the detailed analysis on the working principle of stepper motor ,this paper presents the controller of stepper motor open-loop control scheme will use programmable log

5、ic device. Programming and simulation using MAX+plus II software, the theory of the controller output waveform is obtained .Through detailed analysis of the simulation waveform, shows that the scheme is set up in theory . In order to actually confirm the feasibility of the controller, procedures bur

6、ned into the chip called EPM7128SLC84-7. Then,a simple stepper motor drive is designed and produced. In this way, an integrated stepper motor control system is made. Through the practice ,proves the practical feasibility of the proposed scheme.Key words: stepper motor;PLD;MAX + plus II; control遼寧科技大

7、學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第III頁目錄摘要. I Abstract . II1 緒論 . 11.1 選題背景 . 11.2 EDA 技術(shù)簡介 . 11.3 MAX+plus II 介紹 . 21.4 步進(jìn)電機(jī) . 21.5 設(shè)計(jì)任務(wù) . 32 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理 . 42.1 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) . 42.2 四相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理 . 42.3 混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性 . 62.3.1 靜態(tài)運(yùn)行特性. 62.3.2 步進(jìn)運(yùn)行特性. 72.3.3 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài). 83 步進(jìn)電機(jī)的控制方案 . 103.1 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制 . 103.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) . 103.3 器件說明 . 1

8、14 算法及其仿真 . 12遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第IV頁4.1 模式選擇 . 124.2 正反轉(zhuǎn)控制 . 124.3 各相通電順序控制信號(hào)生成 . 134.3.1 四相四拍 . 144.3.2 四相八拍 . 144.4 速度轉(zhuǎn)換 . 154.5 整體仿真 . 184.6 顯示與鍵盤 . 184.6.1 數(shù)碼管顯示 . 184.6.2 鍵盤輸入 . 195 系統(tǒng)硬件電路 . 235.1 控制器電路 . 235.2 光電耦合電路 . 245.3 驅(qū)動(dòng)電路 . 245.4 顯示電路 . 255.5 鍵盤電路 . 26結(jié)論. 28致謝. 29參考文獻(xiàn) . 30附錄 A . 31附錄 B

9、 . 35遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1頁 1 緒論1.1 選題背景步進(jìn)電機(jī)控制器在早期由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成或基于單片機(jī)為其控制核心。尤其在最初使用數(shù)字邏輯電路作為控制器的時(shí)候，控制器由許多的芯片焊接在一塊電路板上構(gòu)成，這需要占用很大的空間。此外，任何一個(gè)芯片的失敗將導(dǎo)致控制器工作不正常，系統(tǒng)可靠性低。由于微電子技術(shù)的成長，以單片機(jī)為主旨構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的控制器變成主流并延續(xù)至今。單片機(jī)使用程序來完成信號(hào)的處理并對(duì)外部控制對(duì)象完成控制，程序編寫靈活，可靠性高，并且使得控制器占用空間大為縮減 。隨著可編程邏輯器件的出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)變得更容易，它包含了大量的邏輯門電路，可以以模塊

10、化的方式，如積木為數(shù)字邏輯電路。可編程邏輯器件可以使用圖形法和硬件描述語言進(jìn)行編程，允許用戶依據(jù)自己的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)單一使用圖形法或者語言描述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以兩種方法共同使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程非常靈活?？删幊踢壿嬈骷梢园阉行枰玫降臄?shù)字邏輯器件集成到一塊小小的芯片上，這將進(jìn)一步簡化步進(jìn)電機(jī)控制器電路，使得控制器的運(yùn)行更為可靠，維護(hù)也更為方便。在沒有 EDA 軟件缺乏的時(shí)代，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程。首先，設(shè)計(jì)者要依據(jù)理論設(shè)計(jì)出方案，然后依據(jù)方案將所需的元器件焊接在一塊電路板上并對(duì)其通電，測試其輸出端的波形。發(fā)現(xiàn)電路輸出不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，還需要檢查電路是否有焊接錯(cuò)誤或者焊接缺陷，大量的

11、時(shí)間被電路調(diào)試給消耗掉了。EDA 的出現(xiàn)使得實(shí)際中的元器件可以用軟件中的虛擬元件所代替，虛擬的接線易于連接并工作可靠，輸出電壓和電流的電路，也可以在使用虛擬儀器軟件（電流表，電壓表，示波器，邏輯分析儀）測量仿真，而且仿真得到的數(shù)據(jù)也能夠非常近似地反映出實(shí)際電路工作是的相關(guān)參數(shù)，這種方法極大地縮短了設(shè)計(jì)周期，使勞動(dòng)生產(chǎn)率大為提高。1.2 EDA 技術(shù)簡介EDA 技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在 EDA 軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言HDL 完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2頁 線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯

12、、邏輯映射和編程下載等工作。EDA 技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。 EDA 所設(shè)計(jì)的范圍有以下三個(gè)方面：（1） 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)主要是指電路原理圖的設(shè)計(jì)、PCB版圖設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)和單片機(jī)（MCU）的設(shè)計(jì)等。（2） 電路仿真電路仿真是利用EDA軟件工具的電路環(huán)境（設(shè)計(jì)工具包含多種電路器件和電路）的過程（從激勵(lì)的全過程的模擬響應(yīng)）。這個(gè)工作與的性能調(diào)試和構(gòu)建電路相對(duì)應(yīng)著。因?yàn)椴恍枰獙?shí)際器件，因此起到了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的效果，并且有非常不錯(cuò)的結(jié)果。（3） 系統(tǒng)分析利用 EDA 技術(shù)及工具能對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析

13、、噪聲圖分析、失真分析、直流掃描分析、DC 和 AC 靈敏度分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、轉(zhuǎn)移函數(shù)分析、零極點(diǎn)分析、最壞情況分析、蒙特卡洛分析、批處理分析、用戶自定義分析、反射頻率分析等等。11.3 MAX+plus II 介紹MAX+plus II 是一個(gè)集成化的可編程邏輯器件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)者在這個(gè)環(huán)境下進(jìn)行編輯設(shè)計(jì)、編譯、校驗(yàn)、布局布線、下載等一系列設(shè)計(jì)工作，并且由于設(shè)計(jì)方法的靈活性，可以使設(shè)計(jì)者有多種選擇，這樣能使設(shè)計(jì)者根據(jù)自己的技術(shù)水平快速完成所需設(shè)計(jì)。21.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電機(jī)，廣泛應(yīng)用于位移被要求精確的控制場合。顧名思義，所謂步進(jìn)電機(jī)便是以離散步進(jìn)方式旋轉(zhuǎn)，每輸

14、入一個(gè)脈沖就改動(dòng)一次通電狀況，它的定子繞組就前進(jìn)一步。依賴于它的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)能以每步 90°、45°、18°旋轉(zhuǎn)或以每個(gè)脈沖至少零點(diǎn)幾的角度旋轉(zhuǎn)。在不同的脈沖頻率下，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同快慢速度的旋轉(zhuǎn):步進(jìn)一次，或是以高達(dá) 4000r/min的速度逐步地旋轉(zhuǎn)。3遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3頁1.5 設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是研究步進(jìn)電機(jī)的控制方法以及在 Altera 公司提供的開發(fā)環(huán)境 MAX+plus II 平臺(tái)上對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)并編寫控制程序并完成仿真，最后完成對(duì)實(shí)物的控制。具體內(nèi)容如下：（1） 本文通過對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析，詳細(xì)論述了步進(jìn)

15、電機(jī)的工作運(yùn)行原理。（2） 依據(jù)設(shè)計(jì)要求制定了四相步進(jìn)電機(jī)的控制方案： 四相四拍和四相八拍工作方式。按四相四拍步驟運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在各個(gè)繞組的通電次序?yàn)?A-B-C-D-A，依次類推；按四相八拍步驟運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的各繞組的通電次序?yàn)?A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，依次類推。 輸出由發(fā)光二極管顯示，使用開關(guān)座控制信號(hào)。可以用 S 來掌控工作的模式；S=1 時(shí)為四相四拍運(yùn)行，S=0 時(shí)為四相八拍運(yùn)行。CLK 為脈沖輸入，頻率為Hz。EN 為輸出使能控制，高電平有效。 要求步進(jìn)電機(jī)速度可調(diào)，能夠反轉(zhuǎn)，運(yùn)行可靠。（3） 在可編程邏輯器件開發(fā)環(huán)境 MAX+plus II 平臺(tái)上編制控制程

16、序并進(jìn)行仿真。（4）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。（5） 將編譯后的程序燒寫到器件 MAX7128SLC84-7 上，連接驅(qū)動(dòng)電路對(duì)實(shí)物電機(jī)進(jìn)行控制。（6） 對(duì)設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行了總結(jié)。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第4頁 2 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理2.1 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)混合式步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)有很多，還有很高的分辨率和效能，電機(jī)定子繞組上的電感比較小。從結(jié)構(gòu)上看，混合式步進(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)非常相似都是采用多相繞組，且電機(jī)的定轉(zhuǎn)子上面分布有很多齒槽。一個(gè)沿軸方向的磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁鐵產(chǎn)生，該磁場的方向是單向的，這與永磁式步進(jìn)電機(jī)相類似。混合式步進(jìn)電機(jī)可以當(dāng)作同步電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，也可當(dāng)作

17、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置開環(huán)控制。如圖 21所示的電機(jī)即為比較常見的混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子是組成它的兩個(gè)重要部分。定子分為8個(gè)極，每個(gè)極上有勵(lì)磁線圈，在磁極末尾有五個(gè)小齒均勻分布著。每個(gè)極上的線圈都有兩種不同的通電方式，由于這樣四相混合式步進(jìn)電機(jī)就成為了A相和A相，B相和B相，C 相和C相，D 相和D相。電機(jī)的轉(zhuǎn)子包括一個(gè)環(huán)形永久磁鋼和兩段鐵芯，兩段鐵芯放置在環(huán)形永磁體兩端，和每一段鐵芯上都有一定數(shù)量的齒在圓周上均勻分布，而小齒在兩段鐵芯上是錯(cuò)開的，錯(cuò)開的距離有半個(gè)齒距，且定子上小齒的齒距等同于鐵心上小齒的齒距。環(huán)形永磁體采用的是在軸向方向磁化的方法，這樣就使得小齒在同一段鐵心上具有相同極性

18、，然而小齒的極性在兩塊不同段的鐵芯上則是相反的。圖 2.1 混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2.2 四相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理混合式步進(jìn)電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)來源于兩個(gè)部分：一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)來源于永久磁鐵生產(chǎn)的；第二個(gè)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第5頁 則是由定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。在每個(gè)不同的磁極下，有時(shí)為兩種磁動(dòng)勢(shì)的加和，有時(shí)則為兩者的差值，與電流方向不斷變化的交流繞組，激發(fā)形成混合式步進(jìn)電機(jī)的氣隙磁通勢(shì)。四相的混合式步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造圖如圖21所示。該電機(jī)的定子上有八個(gè)極分為四相即每兩極構(gòu)成一相，每個(gè)定子磁極分布5個(gè)小齒，而在轉(zhuǎn)子上則有50個(gè)均勻分布的小齒。若在電機(jī)的某一端看進(jìn)去時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的一個(gè)齒的軸線與定子某一個(gè)

19、極上的小齒重合時(shí)，則其相鄰極上定轉(zhuǎn)子的齒就錯(cuò)開1/4齒距。從圖21的I端可以看出，當(dāng)磁極“5”和磁極“1”下定轉(zhuǎn)子的齒軸線重合時(shí)，在磁極“2"下就錯(cuò)開了14齒距，而定子齒與轉(zhuǎn)子槽的軸線在“3”極與“7”極下則在一條直線上。該混合式電機(jī)的脈沖是同極性的由驅(qū)動(dòng)器供給，其定子繞組為四相。在這種情況下完全等同于采用由驅(qū)動(dòng)器供給的正負(fù)脈沖的兩相繞組的工作方式。當(dāng)定子繞組無電流通過或轉(zhuǎn)子上不存在磁鋼時(shí)，電機(jī)一般就不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩只有在定子的磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子的磁鋼共同作用的同時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。在每相控制的繞組上無電流流過時(shí)，則永久磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)將決定混合式步進(jìn)電機(jī)氣隙中磁動(dòng)勢(shì)的大小。當(dāng)電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)的

20、相互對(duì)稱時(shí)，那么在各個(gè)定子磁極下都會(huì)產(chǎn)生大小相等的氣隙磁動(dòng)勢(shì)，此時(shí)電機(jī)將不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在混合式步進(jìn)電機(jī)的磁路上，電機(jī)上的磁導(dǎo)總數(shù)與轉(zhuǎn)子的位置無關(guān)，這是由于它的永磁磁路的方向是軸向的。二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)可以運(yùn)行工作在許多不同的通電方式下。當(dāng)其中的某一相通電時(shí)，舉例子當(dāng)A相的定子繞組處于通電狀態(tài)時(shí)，如圖2.2所示即為轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)位置。定子的其中四極上有磁勢(shì)作用，即 “l(fā)”-“3”-“5”-“7”極，與其對(duì)應(yīng)的極性分別為N-S-N-S。就圖21所示的電機(jī)，在每相鄰兩個(gè)定子磁極之間所夾的齒距數(shù)為508=6+14。倘若轉(zhuǎn)子離開了當(dāng)前的平穩(wěn)位置而向右側(cè)的方向擺動(dòng)了一個(gè)角度，如圖23所示為作用轉(zhuǎn)矩與

21、定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置以及方向。可以看到，扭矩在不同極性的方向不同的是相同的，都是使轉(zhuǎn)子可以追溯到穩(wěn)定的平衡位置方向。這是因?yàn)樵陔姍C(jī)兩端的定子極性相同，而轉(zhuǎn)子極性卻相反，定子與轉(zhuǎn)子相互錯(cuò)開了14齒距，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子不在平穩(wěn)的位置時(shí)，其兩頭的作用轉(zhuǎn)矩的方向是相同的。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第6頁圖 2.2 A 轉(zhuǎn)子在各個(gè)通電狀態(tài)時(shí)的平穩(wěn)位置圖 2.3 作用在偏右位置時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的方向當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組按單四拍A-B-C-D或雙四拍AB-BC-CD-DA的次序通電，每改發(fā)生一次電源狀態(tài)的改變，轉(zhuǎn)子就沿其通電方向轉(zhuǎn)過l4齒距，即（360°/50）/4=1.8。當(dāng)定子繞組按八拍模式時(shí)，在

22、通電狀態(tài)下的每一個(gè)變化，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.9度。定子繞組每發(fā)生一次通電狀態(tài)的變化，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度，當(dāng)走過一個(gè)通電狀態(tài)的循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，每發(fā)生50個(gè)這樣的通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)一圈即360°。由于混合式步進(jìn)電機(jī)線圈電流的作用而產(chǎn)生了單極磁場，這樣就改變了分布在每個(gè)磁極上的磁場，使出現(xiàn)了磁位差在極與極之間，產(chǎn)生的磁位差與定子各相的通電次序一起變換，對(duì)氣隙基波磁導(dǎo)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生作用。其工作原理是基于反應(yīng)，這在一個(gè)軸向磁場的時(shí)間為基礎(chǔ)的同時(shí)，也受到徑向磁場的作用。2.3 混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性2.3.1 靜態(tài)運(yùn)行特性所謂靜態(tài)運(yùn)行就是指步進(jìn)電機(jī)處在通電情況不發(fā)生變化的運(yùn)行狀態(tài)。遼

23、寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第7頁圖 2.4 定子和轉(zhuǎn)子齒的位置關(guān)系圖 2.5 步進(jìn)電機(jī)矩角特性2.3.2 步進(jìn)運(yùn)行特性當(dāng)作用在步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率較低時(shí)，每一個(gè)脈沖信號(hào)的到來轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子在兩個(gè)脈沖之間有充足的時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)表現(xiàn)為步進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時(shí)，影響步進(jìn)電機(jī)工作情況的因素主要是電機(jī)的負(fù)載狀況和驅(qū)動(dòng)力矩值，如圖2.6所示。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第8頁圖 2.6 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)運(yùn)行當(dāng)電機(jī)處于無負(fù)載狀態(tài)，A相定子繞組通電時(shí)，OA點(diǎn)為轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。當(dāng)B相繞組分配到脈沖時(shí)，矩角的特性將由B代替A， OA點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩將大于零，電機(jī)沿著矩角特性B運(yùn)行到O

24、B點(diǎn)停止。當(dāng)分配脈沖到C相時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式由OB 點(diǎn)運(yùn)行到OC 點(diǎn)停止，每一拍都轉(zhuǎn)過一個(gè)一定的步距角。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以一定的負(fù)載運(yùn)行，只要負(fù)載達(dá)到相應(yīng)的要求，轉(zhuǎn)子可以保持它的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。2.3.3 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)當(dāng)頻繁的給予脈沖時(shí)，未等電機(jī)轉(zhuǎn)子停止就迎來了下一個(gè)脈沖，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)處于連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)代替了一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)。只要失調(diào)角在動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，各相通電狀態(tài)發(fā)生改變的瞬間，轉(zhuǎn)子就會(huì)依然不失步的前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)工作在帶負(fù)載條件下，需克服慣性轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)脈沖頻率太大，失準(zhǔn)角必須在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域，否則電機(jī)不能啟動(dòng)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，減少因慣性力矩電機(jī)的影響，電機(jī)可以連續(xù)運(yùn)行，

25、其運(yùn)行的頻率高于起始頻率。相數(shù)或節(jié)拍和步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度成反比關(guān)系，相數(shù)或節(jié)拍數(shù)越多，步進(jìn)角則越小，越容易成穩(wěn)定的區(qū)域，就會(huì)有較高的起始頻率。隨著脈沖信號(hào)頻率的增大，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也就會(huì)增大，那么步進(jìn)電機(jī)可以帶動(dòng)起來的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將會(huì)減小。造成這這樣的原因是當(dāng)脈沖頻率升高時(shí)，兩個(gè)連續(xù)脈沖的時(shí)間間隙減小，定子繞組中的電感有阻礙電流變化的作用使其變化緩慢，致使控制繞組的電流在短時(shí)間無法上升到穩(wěn)態(tài)值。頻率的高低與電流的數(shù)值成反比，當(dāng)頻率很高時(shí)，電流上升遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第9頁 所能到達(dá)的數(shù)值也就很小，則電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)很小。此外，隨著頻率的增加，繞組反電勢(shì)的增加導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)電流下降，

26、也能使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降?？偠灾?，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的大小與脈沖頻率的大小成反比關(guān)系。4遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第10頁 3 步進(jìn)電機(jī)的控制方案3.1 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位，且無積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制，其位移是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率；若能準(zhǔn)確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制方式中，系統(tǒng)由控制器、光電耦合器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)源構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)的位移量或轉(zhuǎn)角直接反

27、映指令的輸入脈沖，實(shí)現(xiàn)同步跟蹤驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。在這種系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖之間沒有反饋聯(lián)系，不能對(duì)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行有效的監(jiān)控，以致在某些場合下，由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的波動(dòng)，會(huì)破壞運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，并且難于實(shí)現(xiàn)高速。最常見的失控現(xiàn)象是，當(dāng)輸入脈沖頻率超過步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不能起動(dòng)或者失去同步。在本設(shè)計(jì)中，控制器的輸入脈沖為2Hz，應(yīng)屬于低速運(yùn)轉(zhuǎn)，故而開環(huán)控制能滿足要求，由于開環(huán)控制經(jīng)濟(jì)并且簡單可靠，故而本設(shè)計(jì)采取開環(huán)控制方案。圖 3.1步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)流程框圖3.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 3.2，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用 Altera 公司的可編程邏

28、輯器件 EPM7128SLC84-7 芯片作為步進(jìn)電機(jī)的控制器，引入外接 2Hz 時(shí)鐘脈沖信號(hào)作為控制器所需的輸入脈沖。使用光電耦合芯片tlp521在控制器的輸出信號(hào)與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路之間進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第11頁3.3 器件說明EPM7128SLC84芯片由宏單元、邏輯陣列塊、擴(kuò)展乘積項(xiàng)、可編程互連陣列(PIA)和 I/O 控制塊五類模塊組成。本設(shè)計(jì)中使用的EPM7128SLC84-7 芯片價(jià)格很便宜，該芯片共具有84個(gè)引腳按功能可分為三類：電源引腳， 指定功能引腳和60個(gè)用戶可自定義的I/O 引腳；在內(nèi)部有 128 個(gè)邏輯宏單元(Macrocell)；內(nèi)部大

29、概有2500個(gè)等效門數(shù)；除了通用的I/O口引腳之外，EPM7128SLC84 芯片還有兩個(gè)全局的時(shí)鐘、分別為全局的使能信號(hào)和全局清零輸入信號(hào)；該器件的最大計(jì)數(shù)頻率可達(dá)到為151.5MHz，并且內(nèi)部互連延時(shí)為 1ns，完全能夠滿足設(shè)計(jì)所需要求，另外，在本設(shè)計(jì)中采取了模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，易于擴(kuò)展外部設(shè)備如鍵盤、顯示器等。多余的 I/O 口可為未知的使用場合增加外部設(shè)備留下余地。圖 3.2系統(tǒng)構(gòu)成框圖遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第12頁 4 算法及其仿真4.1 模式選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，S 作為工作方式控制信號(hào)；S=1 時(shí)為四相四拍運(yùn)行，S=0 時(shí)為四相八拍運(yùn)行。依此設(shè)計(jì)模式選擇模

30、塊：當(dāng) S=1時(shí)，將信號(hào)輸出端切換到四相四拍通電序列生成模塊上；當(dāng) S=0時(shí)，將信號(hào)輸出端切換到四相八拍通電序列生成模塊上。相應(yīng)的程序如圖 4.1：圖 4.1 模式選擇其中，Q13Q10 為四相八拍模式下的電機(jī)各相控制信號(hào)；Q23Q20 為四相四拍模式下的電機(jī)各相控制信號(hào)。4.2 正反轉(zhuǎn)控制如圖 4.2，其中輸入端 re 為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)輸入端，當(dāng) re=0 時(shí)，電機(jī)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng) re=1時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第13頁圖 4.2 正反轉(zhuǎn)控制4.3 各相通電順序控制信號(hào)生成各相的通電順序控制信號(hào)生成均使用了計(jì)數(shù)器。其中，四相四拍的通電控制信號(hào)

31、采用環(huán)形計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每經(jīng)四個(gè)脈沖計(jì)數(shù)重新開始，每次脈沖的計(jì)數(shù)輸出均表現(xiàn)為高電平的單向循環(huán)移位。而四相八拍的通電順序控制用這種方法并不好實(shí)現(xiàn)，故而采用用組合邏輯電路事先構(gòu)成各通電狀態(tài)，之后采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，而計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)正好是對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的 07，采用這八個(gè)二進(jìn)制數(shù)作為選擇信號(hào)對(duì)通電控制信號(hào)的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行有序選擇，就能實(shí)現(xiàn)各相的順序通電并且運(yùn)行可靠。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第14頁4.3.1 四相四拍圖 4.3 四位環(huán)形計(jì)數(shù)器采用四位環(huán)形計(jì)數(shù)器產(chǎn)生循環(huán)的脈沖信號(hào)，依次為：“1000”、“0100”、“0010”、“0001”， 如圖 4.3。圖 4

32、.4 四位環(huán)形計(jì)數(shù)器時(shí)序圖4.3.2 四相八拍四相八拍模式的通電控制信號(hào)設(shè)計(jì)采用的是組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路相結(jié)合的辦法來實(shí)現(xiàn)的，即用門電路依 1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001-1001 的順序?qū)⒏麟A段的繞組通電狀態(tài)表示出來，然后使用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生有序的三位二進(jìn)制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的各狀態(tài)進(jìn)行選擇，即000-1000；001-1100；010-0100；011-0110；100-0010；101-0011；110-0001；遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第15頁 111-1001。這樣，繞組各個(gè)階段的通電狀態(tài)將能夠準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)。圖 4.5 三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真

33、波形如圖 4.6：圖 4.6 四相八拍模式下控制信號(hào)波形4.4 速度轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換模塊使用一個(gè)四位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器將輸入頻率為 2Hz 的脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，這樣共獲得2Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.25Hz、0.125 Hz 五個(gè)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)由外部輸入的控制信號(hào)來控制數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行速度選擇，便可很方便地對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確切換。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第16頁圖 4.7 速度轉(zhuǎn)換模塊計(jì)數(shù)器輸出值與速度值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 4.1：表 4.1：計(jì)數(shù)器輸出值與速度對(duì)應(yīng)表S2S1S0 頻率 Hz000/101/110/111 2001 1010 0.5011 0.25100 0.1251

34、、四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的主要程序代碼如下：（1）實(shí)體定義PORT (CLK , RST , EN : IN STD_LOGIC;Q : BUFFER STD_LOGIC_VECTOR ( 3 DOWNTO 0 ) );（2）進(jìn)程描述PROCESS ( CLK , RST )BEGINIF RST = 0 THENQ <= (OTHERS=>0);ELSIF ( CLKEVENT AND CLK=1) THENIF ( EN = 1 ) THEN遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第17頁Q <= Q+1;ELSEQ <= Q;END IF;END IF;END PROCES

35、S;2、數(shù)據(jù)選擇器主要程序代碼：（1）實(shí)體定義PORT ( PLUSE : IN STD_LOGIC;Q0 , Q1 , Q2 , Q3 : IN STD_LOGIC;S : IN STD_LOGIC_VECTOR ( 2 DOWNTO 0 );CLK: OUT STD_LOGIC);（2）進(jìn)程描述PROCESS ( S )BEGINIF S = “000” THENCLK <= PLUSE;ELSIF S =”001” THENCLK <= Q0;ELSIF S =”010” THENCLK <= Q1;ELSIF S =”011” THENCLK <= Q2;ELS

36、IF S = ”100” THENCLK <= Q3;ELSE CLK <= Q0;END IF;END PROCESS;遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第18頁圖 4.8 速度轉(zhuǎn)換器仿真波形4.5 整體仿真控制器設(shè)計(jì)并完成程序編寫后使用MAX+plus II的波形編輯器進(jìn)行了時(shí)序波形仿真，結(jié)果顯示，波形完全符合設(shè)計(jì)要求，仿真波形圖見附錄 A。4.6 顯示與鍵盤為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè) LED 數(shù)碼管對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的級(jí)別進(jìn)行顯示。同時(shí)加入鍵盤，以便于在需要時(shí)可以切換為手動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。4.6.1 數(shù)碼管顯示設(shè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別依速度由大向小依次為 1 級(jí)、2 級(jí)、3級(jí)、4

37、級(jí)、5級(jí)，分別對(duì)應(yīng) 2Hz、1 Hz、0.5Hz、0.25Hz、0.125 Hz，數(shù)碼管相應(yīng)顯示數(shù)字 1、2、3、4、5，采用 VHDL 語言程序?qū)λ俣冗x擇信號(hào)進(jìn)行譯碼。相應(yīng)的 VHDL 語言程序段如下：1、實(shí)體定義PORT ( S2 , S1 , S0 : IN STD_LOGIC;Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR ( 8 DOWNTO 0 );2、進(jìn)程描述PROCESS (S2 , S1 , S0)BEGIN遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第19頁 IF (S2 = '0' AND S1 = '0' AND S0 = '0'

38、;) THENQ <= "111100111"ELSIF (S2 = '0' AND S1 = '0' AND S0 = '1') THENQ <= "001001011"ELSIF ( S2 = '0' AND S1 = '1' AND S0 = '0' ) THENQ <= "000011011"ELSIF (S2 = '0' AND S1 = '1' AND S0 = '1&#

39、39;) THENQ <= "100110011"ELSIF ( S2 = '1' AND S1 = '0' AND S0 = '0' ) THENQ <= "010010011"ELSE Q <= "111100111"END IF ;END PROCESS ;圖 4.9 數(shù)碼管顯示程序仿真波形4.6.2 鍵盤輸入1、手動(dòng)調(diào)速與自動(dòng)調(diào)速的切換考慮到有時(shí)候需要手動(dòng)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故而在基本的控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)鍵盤輸入模塊，并在鍵盤上增設(shè)一個(gè)按鍵 KEY_SEL 用于

40、手動(dòng)（鍵盤輸入）和自動(dòng)調(diào)節(jié)的切換。當(dāng) KEY_SEL=0 時(shí)，控制器切換到自動(dòng)速度調(diào)節(jié)檔；當(dāng) KEY_SEL=1 時(shí)，控制器切換到手動(dòng)速度調(diào)節(jié)檔。相關(guān)的程序段如下：（1）實(shí)體定義PORT ( KEY: IN STD_LOGIC_VECTOR ( 4 DOWNTO 0 );S: IN STD_LOGIC_VECTOR ( 2 DOWNTO 0 );遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第20頁 KEY_SEL : IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR ( 2 DOWNTO 0 );（2）進(jìn)程描述PROCESS (KEY , S , KEY_SEL )BEGINIF

41、 ( KEY_SEL = '0') THENQ <= S;ELSEIF KEY = "00001" THENQ <= "000"ELSIF KEY = "00010" THENQ <= "001"ELSIF KEY = "00100" THENQ <= "010"ELSIF KEY = "01000" THENQ <= "011"ELSIF KEY = "10000" T

42、HENQ <= "100"ELSEQ<="000"END IF;END IF;END PROCESS;遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第21頁圖 4.10 手動(dòng)與自動(dòng)變速仿真波形2、鍵盤信號(hào)的輸入該鍵盤設(shè)有六個(gè)鍵，分別是手動(dòng)與自動(dòng)調(diào)速模式的切換鍵 KEY_SEL 和選擇速度級(jí)別的 KEY1KEY5 五個(gè)鍵。KEY_SEL 鍵可用 J-K 觸發(fā)器 J、K 輸入端接高電平，在時(shí)鐘當(dāng)脈沖的觸發(fā)沿到來時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)切換。KEY1KEY5 五個(gè)鍵的輸入依靠如下程序段來實(shí)現(xiàn)：（1） 實(shí)體定義PORT( KEY4,KEY3,KEY2,KEY1,K

43、EY0: IN STD_LOGIC;Q4,Q3,Q2,Q1,Q0: OUT STD_LOGIC);（2） 進(jìn)程描述PROCESS (KEY4,KEY3,KEY2,KEY1,KEY0)BEGINIF KEY4 = '1' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '0' AND KEY0 = '0'THENQ4<='1' Q3<='0' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='

44、;0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '1' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '0' AND KEY0 = '0' THENQ4<='0' Q3<='1' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '1' AND KEY

45、1 = '0' AND KEY0 = '0' THENQ4<='0' Q3<='0' Q2<='1' Q1<='0' Q0<='0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '1' AND KEY0 = '0'遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第22頁 THENQ4<='0' Q

46、3<='0' Q2<='0' Q1<='1' Q0<='0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '0' AND KEY0 = '1' THENQ4<='0' Q3<='0' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='1'ELSEQ4<=

47、'1' Q3<='0' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='0'END IF;END PROCESS;圖 4.11 鍵盤信號(hào)輸入仿真波形遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第23頁 5 系統(tǒng)硬件電路第三章已經(jīng)提到，本系統(tǒng)由控制器、光電耦合器、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路以及掌控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)源構(gòu)成?？刂破髫?fù)責(zé)將信號(hào)源送來的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成用于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方波脈沖信號(hào)。光電耦合器使用 TLP521 光電耦合芯片負(fù)責(zé)將控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源隔離開來，防止強(qiáng)電流沖擊控制器導(dǎo)致控制器芯片損壞?？刂破鬏敵龅墓β视邢蓿荒軌蛑苯訋?dòng)電機(jī)，故而必須設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來給電機(jī)提供足夠的功率。本文所述的驅(qū)動(dòng)器面向的是一個(gè)額定電壓為 5V 的小功率步進(jìn)電機(jī)，采用三極管 9013 直接驅(qū)動(dòng)，由于該驅(qū)動(dòng)是用于控制器工作測試的，電機(jī)并不接負(fù)載，為節(jié)約設(shè)計(jì)成本和時(shí)間起見，采用 9013 做電子開關(guān)搭成約 3.6V 的直流電壓源對(duì)步進(jìn)電機(jī)作降壓驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)電路原理圖見附錄 B。5.1 控制器電路圖 5.1控制器電路遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第24頁5.2 光電耦合電路光電耦合電路采用