可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)五相步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配
謝小平（成都光電技術(shù)研究所 610029）
1 引 言
步進(jìn)電機(jī)作為精密的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子、機(jī)械等行業(yè)，步進(jìn)電機(jī)的執(zhí)行過程是由它的通電方式即控制脈沖完成，而環(huán)行脈沖分配器是產(chǎn)生控制脈沖中心。因此，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行過程是環(huán)行分配器重復(fù)周期。環(huán)行分配器的可靠性、精確度以及可變性控制對步進(jìn)電機(jī)的控制都很重要。環(huán)行分配器實(shí)現(xiàn)的原理是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式設(shè)計的。三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式是a、ab、b、bc、c、ca，共6拍方式，四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式是8拍，五相步進(jìn)電機(jī)是10拍或者20拍。環(huán)行分配器組成結(jié)構(gòu)多種多樣，如計數(shù)器和觸發(fā)器、單片機(jī)和存貯器、存貯器和計數(shù)器等。它們器件多，體積大，可靠性低，成本高，并且一旦電路設(shè)計完成之后，邏輯關(guān)系和時序過程就完全固定，無法修改，只有再次制版、調(diào)試等反復(fù)加工后完成，這樣周期長，成本高。而利用現(xiàn)場可編程邏輯器件憲全克服這些缺點(diǎn)，它具有易于編程和調(diào)試、時序關(guān)系變化等特點(diǎn)。它按設(shè)計思路編程，仿真正確后，由編程器將程序?qū)懭肫骷与娂纯梢淮瓮瓿晒こ淘O(shè)計。本文介紹用fpga實(shí)現(xiàn)五相電機(jī)的環(huán)形分配。
2 可編程邏輯器件的特點(diǎn)
可編程邏輯器件是在線電擦除的可編程的邏輯器件，邏輯門電路上千門，一片fpga可以代替幾十片，甚至上百片數(shù)字集成電路，這就使原有的ic芯片的使用越來越少，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)電路設(shè)計得到了很大的改進(jìn)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計過程是，先畫原理圖，把原理圖
繪制成印刷電路板圖，再制板，安裝，調(diào)試。有了fpga，只需在計算機(jī)上用原理圖、波形方式或文本方式等描述出邏輯功能，再利用相應(yīng)開發(fā)軟件進(jìn)行編譯，直至正確后，進(jìn)行邏輯上波形時序仿真，根據(jù)波形時序圖就可以判斷所設(shè)計的邏輯功能和時序關(guān)系的正確性。并通過寫入器將編譯后的文本文件寫入器件中即可，再做一個小印制版、安裝，完成整個邏輯電路的設(shè)計工程。在調(diào)試過程中，如果邏輯上需要變化，僅改變軟件，而無需硬件變動就能完成相應(yīng)功能，因此，有了fpga器件，電路設(shè)計時序變化和維修以及專用化都非常方便。
fpga的特點(diǎn)[1]：
(1)集成度高。如一片max7000可多達(dá)7000令門邏輯電路。
(2)結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計方便。在電路設(shè)計時，可隨時對邏輯結(jié)果進(jìn)行實(shí)時仿真，驗(yàn)證設(shè)計邏輯的正確性，即時修改邏輯關(guān)系。
(3)開發(fā)周期短，成本低。使用可編程邏輯器件，從設(shè)計構(gòu)思開始到完成批量生產(chǎn)，僅需一至兩周的時間�？墒〈罅考呻娐分瓢骞ば�，不但省時，而且還縮小體積，降低了費(fèi)用，如pcb板的面積減小，元器件減少，裝配檢驗(yàn)等費(fèi)用降低。
(4)速度快。因?yàn)樗羞壿嫻δ芏荚谝粋�集成塊中進(jìn)行，無需外部控制電路，使i/o接線減少，整個系統(tǒng)的工作速度大大提高。
(5)可靠性提高，故障率降低。使用fp-ga后，元器件減少，排除器件之間的接觸不良、時序關(guān)系不匹配等故障。
(6)安全性增強(qiáng)。使用有加密位的fp-ga，如altera公司的max系列，將使硬件的仿制變得十分困難，有利于設(shè)計者的專利保護(hù)。
五相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)行分配就是根據(jù)fp-ga邏輯功能強(qiáng)、容量大等特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。用roze五相電機(jī)，它一共10個接線端。用五相h橋作功率控制，并采用恒頻控制方式，則橋上臂的控制信號是橋下臂的控制信號與頻率相與后輸出信號。因此，每相電機(jī)功率控制源共4個控制信號，對五相電機(jī)，共20個輸出信號，如果用gal實(shí)現(xiàn)脈沖分配器，則需要3片gal才能完成設(shè)計要求，并且gal無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系，而一片epm7000系列完全實(shí)現(xiàn)此功能。
3五相步進(jìn)電機(jī)的通電方式
五相步進(jìn)電機(jī)有5個繞組，每相繞組有正向通電和反向通電2種狀態(tài)，所以五相電機(jī)共有10個狀態(tài)，即：a，a，b，b，c，c，d，d，e，e，其相量構(gòu)成轉(zhuǎn)矩相量圖如圖1所示。
4 fpga環(huán)形脈沖分配器設(shè)計
根據(jù)轉(zhuǎn)矩相量圖可得邏輯通電狀態(tài)表[2]，根據(jù)工程需要，選用4-5通電方式，則通電狀態(tài)共有20拍，其步矩角為0.36度。
由互相步進(jìn)電機(jī)邏輯通電狀態(tài)變化，確定了電機(jī)控制方式和邏輯關(guān)系即環(huán)形分配器輸出信號。它控制驅(qū)動功率的關(guān)斷以控制電機(jī)的繞組電流。
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