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基于GAL器件的步进电机控制器的研究与设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了利用阵列逻辑器件GAL16V8对三相六拍步进电机实现控制的方法及其电路设计。通过计算机编程器对GAL进行编程,可以满足各种控制要求。该电路简单,工作稳定可靠,编程灵活方便。
  关键词:通用阵列逻辑器件步进电机GAL16V8三相六拍
  
  步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中,如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。目前,对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大,同时由于分散器件的延时,其可靠性大大降低;软件环形分配器要占用主机的运行时间,降低了速度;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好,但其适应性受到限制,同时开发周期长、需求费用较高。通用阵列逻辑GAL(GenericArrayLogic)是美国Lattice公司研制的一种电可擦除的可编程的新型PLD器件。近几年来,GAL以其高性能、高可靠性、可擦除及输出逻辑结构可组态等特性和100%的成品率,博得广大用户的信赖。它可以用来构成译码器、优先级编码器、多路开关、比较器、移位寄存器、计数器、总线仲裁器等。采用GAL器件对三相步进电机进行控制,不仅简化了系统的结构,降低了成本,而且编程灵活方便,提高了系统的可靠性,使系统具有更强的适应性。
  
  1三相六拍步进电机控制要求
  
  矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数,矩角特性好,步进电机启动转矩就大,运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍,因此在很多情况下,三相步进电机采用三相六拍运行方式。三相步进电机工作在三相六拍运行方式时,每个状态的变化使电机转动1/6齿距,三相激励规律为A-AB-B-BC-C-CA共六拍,对应时序如图1所示。A、B、C分别代表接到三相步进电机A相、B相、C相绕组的驱动脉冲。
  
  通常,步进电机的脉冲控制是由逻辑电路实现的。在计算机控制的系统中,也可以通过编制程序,由扩展I/O口输出脉冲来决定电机的运行方式、方向及转速。这种方式电路简单、控制灵活,但占用CPU的时间过多,每次驱动电机时,PC机都得被占用。本文采用可编程逻辑器件(PLD)中的GALl6V8设计逻辑电路。在此,选三个控制信号:(1)启动控制信号S,当S=1时为停止,S=0为启动;(2)正反转控制信号D,当D=1时电机正转,D=0时电机反转;(3)转速切换信号R和C,当R=0、C=0时,频率为fck;R=1、C=1时,频率为fck/2。步进电机的转速通常都是通过改变时序脉冲的频率来控制的,所以这里用频率来表示转速的改变。由于GAL器件所有触发器的时钟是连在一起的,不能同时引入两种以上频率的时钟,因此从改造组合逻辑部分人手,达到对电动机转速的二分频控制。同理也可以实现四相八拍、五相十拍、六项十二拍的步进电机控制,这就比专用的集成电路功能更强。
  
  2采用GAL控制脉冲分配的逻辑设计
  
  若采用集成电路芯片来实现三相六拍步进电机的控制,所用器件较多,电路一般比较复杂。为了满足电机转速的二分频,在同一时钟频率控制下,必须利用一个D型触发器,通过C参与组合逻辑来实现。其逻辑电路如图2所示。CK为控制信号,三个D型触发器的输出O、P、Q分别接步进电机的三项绕组。根据步进电机

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