用AT89S51和CPLD實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的伺服執(zhí)行器件。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便。

尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累，這給實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。它廣泛用于消費(fèi)類產(chǎn)品(打印機(jī)、照相機(jī))、工業(yè)控制(數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人)、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中。
　　

通常的步進(jìn)電機(jī)控制方法是采用CPU(PC機(jī)、單片機(jī)等)配合專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這存在成本較高、各個(gè)環(huán)節(jié)搭配不便(不同類的電機(jī)必須要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器與之配對(duì))等問(wèn)題。
　　

CPLD器件具有速度快、功耗低、保密性好、程序設(shè)計(jì)靈活、抗干擾能力強(qiáng)、與外圍電路接口方便等特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用于各種工控、測(cè)量、儀器儀表等方面。 同時(shí)單片機(jī)非常適合應(yīng)用于需要復(fù)雜的控制算法的場(chǎng)合。因此本設(shè)計(jì)采用的方法是：用單片機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)后計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的控制信息后，再傳給 CPLD，CPLD把接收到的信息轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)實(shí)際的控制信號(hào)(運(yùn)轉(zhuǎn)方向、運(yùn)轉(zhuǎn)速度)輸出給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。這樣的好處是單片機(jī)與CPLD各行其是。單 片機(jī)可以專注于處理輸入信號(hào)與輸出信息之間的轉(zhuǎn)換等復(fù)雜的算法.不必占用過(guò)多的CPU資源去直接控制電機(jī)，也減小了由此引入干擾的可能性;CPLD只需把 單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的信息轉(zhuǎn)換成電機(jī)的控制信號(hào)。這樣就發(fā)揮了單片機(jī)和CPLD兩者的優(yōu)點(diǎn)。

1 步進(jìn)電機(jī)原理簡(jiǎn)介
　　

通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng) 定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與 脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

我們使用的單極四相步進(jìn)電機(jī)為例。其結(jié)構(gòu)如圖1：

　　四個(gè)繞組引出四相(相A1相A2相B1相B2)和兩個(gè)公共線(接到電源的正機(jī))。把繞組的某一相接到電源的地線。這樣該繞組就會(huì)受到激勵(lì)。我們采用四相八拍的控制方式，即1相與2相交替導(dǎo)通，這樣可提高分辨率。每一步可轉(zhuǎn)0.9°控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的勵(lì)磁順序如下表：

若要求電機(jī)反轉(zhuǎn)，將勵(lì)磁信號(hào)倒過(guò)來(lái)傳送即可。

2 步進(jìn)電機(jī)控制方案
　　

控制系統(tǒng)的框圖如下：

本方案采用AT89S51作為主控制器件。它與AT89C51兼容，同時(shí)還增加了SPI接口和看門狗模塊，這不但使程序調(diào)試變得方便而且也使程序運(yùn)行更加 穩(wěn)定。在方案中該單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集并計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向和速度信息。然后傳送給CPLD。
　　

CPLD采用EPM7128SLC84-15，EPM7128是可編程的大規(guī)模邏輯器件，為ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)品。具有高阻抗、電可 擦等特點(diǎn)，可用單元為2500個(gè)，工作電壓為+5V。CPLD接收到單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息后，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器則把控制 信號(hào)處理后輸入電機(jī)繞組，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的有效控制。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)
　　

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用如下電路：

其中R1-R8的電阻值為320Ω。R9-R12的電阻值為2.2KΩ。Q1-Q4為達(dá)林頓管D401A，Q5-Q8為S8550。J1、J2與步進(jìn)電機(jī)的六條引線相連
2.2 CPLD硬件電路的設(shè)計(jì)
　　

使用CPLD器件使電路的設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)潔。我們只需要把CPLD的I/O腳引出來(lái)， 接上相應(yīng)的外圍器件就可以了。CPLD與專用數(shù)字芯片(如74SC164等)的一個(gè)重要區(qū)別是其I/O 口的功能可任意在軟件上設(shè)定，這樣在硬件設(shè)計(jì)中便可只用考慮電源線與地線的分布。以減小高頻電流噪聲對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?br />　　

在設(shè)計(jì)CPLD電路時(shí)，電源、時(shí)鐘以及I/O與目標(biāo)芯片都可通過(guò)接插件進(jìn)行連接。最后在管腳鎖定的時(shí)候把CPLD的I/O分別與單片機(jī)和電機(jī)電路部分相連就可以了，這樣使電路的安裝調(diào)試變得更加簡(jiǎn)便。

2.3 控制的實(shí)現(xiàn)
　　

由于篇幅的限制。在此只討論單片機(jī)與CPLD邏輯接口部分以及CPLD中控制信號(hào)的產(chǎn)生部分。
　　

首先說(shuō)明單片機(jī)和CPLD邏輯接口的問(wèn)題。AT89S51與EPM7128SLC84的I/O電壓都為5V。所以它們的I/O可以直接連接。無(wú)需增加額外的電路。如果使用的是I/O電壓為3.3V的可編程邏輯器件，則需要考慮邏輯接口這個(gè)問(wèn)題。
　　

同時(shí)通過(guò)時(shí)序分析. 我們可以知道該系統(tǒng)中EPM7128SLC84的輸入信號(hào)建立時(shí)間Ts=8ns。也就是說(shuō)輸入CPLD的信號(hào)必須持續(xù)8ns以上才能夠被CPLD識(shí)別。單片機(jī)如采用12MHZ的晶振，則信號(hào)的改變時(shí)間為微秒級(jí)，完全滿足這個(gè)條件。

當(dāng)單片機(jī)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出控制信息(電機(jī)的速度和方向)后就要聯(lián)絡(luò)CPLD以便及時(shí)的把信息傳給它。單片機(jī)和CPLD交換數(shù)據(jù)可以選用并行傳送或者 串行傳送的方式?？紤]到單片機(jī)和CPLD的引腳都比較豐富。而且并行傳送的接口相對(duì)簡(jiǎn)單，因此選用并行的方式交換數(shù)據(jù)。規(guī)定傳送數(shù)據(jù)的協(xié)議如下圖所示：

由圖可知，單片機(jī)每次用P0口發(fā)送3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)(N1、N2分別為速度和方向控制字，N3為和校驗(yàn)字節(jié))，當(dāng)CPLD檢測(cè)到EN從高到低的跳變表示傳進(jìn) 數(shù)據(jù)開(kāi)始。每個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在CLK的上升沿。ACK為CPLD的應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)CPLD接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)行和校驗(yàn).如果不對(duì)則把ACK拉高。單片機(jī)若 檢測(cè)到ACK為高電平則重新開(kāi)始送數(shù)的過(guò)程。CPLD接收到正確的數(shù)據(jù)后就把它轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的物理運(yùn)動(dòng)。直到接收到新的控制信息。我們用VHDL語(yǔ)言編 程，并選擇EPM7128SLC84-15作為目標(biāo)器件進(jìn)行時(shí)序仿真和硬件測(cè)試。程序的框圖如下： 　

　 EN:系統(tǒng)使能信號(hào)。
CPLD_CLK:系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。
N1:速度控制信號(hào)。
N2:方向控制信號(hào)。
　　

系統(tǒng)時(shí)鐘CPLD_CLK在速度控制信號(hào)N1的控制下得到脈沖分配器(狀態(tài)機(jī))的輸入時(shí)鐘，此時(shí)鐘的頻率決定控制邏輯輸出的頻率從而(在允許的范圍內(nèi))控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。EN為高電平時(shí)系統(tǒng)使能開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。N1為01H代表電機(jī)正轉(zhuǎn)，00H代表電機(jī)反轉(zhuǎn)。
　　

程序的脈沖分配器部分采用狀態(tài)機(jī)的方法編寫。狀態(tài)機(jī)是純硬件數(shù)字系統(tǒng)中的順序控制電路，在狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行方式上類似于控制靈活方便的CPU，而在運(yùn)行速度和工作可靠性方面都優(yōu)于CPU。
狀態(tài)機(jī)部分的VHDL代碼如下：
PROCESS(C_ST,EN,N1,BCLK)
BEGIN
IF RISING_EDGE(BCLK) THEN C_ST=N_ST;
IF EN=1 THEN
CASE C_ST IS
WHEN ST0=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST1; ELSE N_ST=ST7;END IF;
CON_OUT=1000;
WHEN ST1=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST2; ELSE N_ST=ST0;END IF;
CON_OUT=1100;
WHEN ST2=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST3;ELSE N_ST=ST1;END IF;
CON_OUT=0100;
WHEN ST3=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST4;ELSE N_ST=ST2;END IF;
CON_OUT;0110;
WHEN ST4=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST5;ELSE N_ST=ST3;END IF;
CON_OUT=0010;
WHEN ST5=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST6; ELSE N_ST=ST4;END IF;
CON_OUT=0011;
WHEN ST6=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST7;ELSE N_ST=ST5;END IF;
CON_OUT=0001;
WHEN ST7=> IF N1=00000000 THEN
N_ST=ST0; ELSE N_ST=ST6;END IF;
CON_OUT=1001;
WHEN OTHERS=> N_ST=ST0;
CON_OUT=0000;
END CASE;
END IF;
END IF;
END PROGESS;

2.4 結(jié)論
　　

實(shí)踐表明.這樣的控制方法切實(shí)可行。在整個(gè)工作過(guò)程中，單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。電機(jī)能夠根據(jù)情況完成正常的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，加速減速。

3 結(jié)語(yǔ)
　　

單片機(jī)是一種非常傳統(tǒng)的智能控制器件，無(wú)論是智能家電還是消費(fèi)類產(chǎn)品都有它的身影。CPLD器件在各種場(chǎng)合的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。兩者有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。單片 機(jī)控制功能很強(qiáng)，能完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算.但是穩(wěn)定性稍差。CPLD運(yùn)行速度快。程序不會(huì)跑飛。適合產(chǎn)生各種復(fù)雜組合邏輯和時(shí)序邏輯?？梢造`活的定義各個(gè)引 腳的與外圍電路連接的電氣特性等。使用單片機(jī)和CPLD聯(lián)合控制步進(jìn)電機(jī)只是不同類型的器件協(xié)同完成同一任務(wù)在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)例子。實(shí)踐證明這種方法是 可取的。