用AT89S51和CPLD實現(xiàn)步進電機的控制

步進電機是一種將脈沖信號轉換成角位移的伺服執(zhí)行器件。其特點是結構簡單、運行可靠、控制方便。

尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累，這給實際的應用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費類產(chǎn)品(打印機、照相機)、工業(yè)控制(數(shù)控機床、工業(yè)機器人)、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中。
　　

通常的步進電機控制方法是采用CPU(PC機、單片機等)配合專用的步進電機驅動控制器來實現(xiàn)，這存在成本較高、各個環(huán)節(jié)搭配不便(不同類的電機必須要相應的驅動控制器與之配對)等問題。
　　

CPLD器件具有速度快、功耗低、保密性好、程序設計靈活、抗干擾能力強、與外圍電路接口方便等特點，越來越多的應用于各種工控、測量、儀器儀表等方面。 同時單片機非常適合應用于需要復雜的控制算法的場合。因此本設計采用的方法是：用單片機采集現(xiàn)場信號后計算出步進電機運轉所需的控制信息后，再傳給 CPLD，CPLD把接收到的信息轉換成步進電機實際的控制信號(運轉方向、運轉速度)輸出給電機的驅動電路。這樣的好處是單片機與CPLD各行其是。單 片機可以專注于處理輸入信號與輸出信息之間的轉換等復雜的算法.不必占用過多的CPU資源去直接控制電機，也減小了由此引入干擾的可能性;CPLD只需把 單片機傳送過來的信息轉換成電機的控制信號。這樣就發(fā)揮了單片機和CPLD兩者的優(yōu)點。

1 步進電機原理簡介
　　

通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當 定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉速與 脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

我們使用的單極四相步進電機為例。其結構如圖1：

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

若要求電機反轉，將勵磁信號倒過來傳送即可。

2 步進電機控制方案
　　

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，同時還增加了SPI接口和看門狗模塊，這不但使程序調試變得方便而且也使程序運行更加 穩(wěn)定。在方案中該單片機主要實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集并計算出步進電機運轉的方向和速度信息。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，可用單元為2500個，工作電壓為+5V。CPLD接收到單片機發(fā)送過來的信息后，轉換成對應的控制信號輸出給步進電機驅動器。驅動器則把控制 信號處理后輸入電機繞組，實現(xiàn)了電機的有效控制。

2.1 電機驅動器硬件結構
　　

電機的驅動器采用如下電路：

其中R1-R8的電阻值為320Ω。R9-R12的電阻值為2.2KΩ。Q1-Q4為達林頓管D401A，Q5-Q8為S8550。J1、J2與步進電機的六條引線相連
2.2 CPLD硬件電路的設計
　　

使用CPLD器件使電路的設計變得十分簡潔。我們只需要把CPLD的I/O腳引出來， 接上相應的外圍器件就可以了。CPLD與專用數(shù)字芯片(如74SC164等)的一個重要區(qū)別是其I/O 口的功能可任意在軟件上設定，這樣在硬件設計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數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?br />　　

在設計CPLD電路時，電源、時鐘以及I/O與目標芯片都可通過接插件進行連接。最后在管腳鎖定的時候把CPLD的I/O分別與單片機和電機電路部分相連就可以了，這樣使電路的安裝調試變得更加簡便。

2.3 控制的實現(xiàn)
　　

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

首先說明單片機和CPLD邏輯接口的問題。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問題。
　　

同時通過時序分析. 我們可以知道該系統(tǒng)中EPM7128SLC84的輸入信號建立時間Ts=8ns。也就是說輸入CPLD的信號必須持續(xù)8ns以上才能夠被CPLD識別。單片機如采用12MHZ的晶振，則信號的改變時間為微秒級，完全滿足這個條件。

當單片機根據(jù)實際情況計算出控制信息(電機的速度和方向)后就要聯(lián)絡CPLD以便及時的把信息傳給它。單片機和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]到單片機和CPLD的引腳都比較豐富。而且并行傳送的接口相對簡單，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，單片機每次用P0口發(fā)送3個字節(jié)的數(shù)據(jù)(N1、N2分別為速度和方向控制字，N3為和校驗字節(jié))，當CPLD檢測到EN從高到低的跳變表示傳進 數(shù)據(jù)開始。每個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在CLK的上升沿。ACK為CPLD的應答信號。當CPLD接收完數(shù)據(jù)后進行和校驗.如果不對則把ACK拉高。單片機若 檢測到ACK為高電平則重新開始送數(shù)的過程。CPLD接收到正確的數(shù)據(jù)后就把它轉換成步進電機的物理運動。直到接收到新的控制信息。我們用VHDL語言編 程，并選擇EPM7128SLC84-15作為目標器件進行時序仿真和硬件測試。程序的框圖如下： 　

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

系統(tǒng)時鐘CPLD_CLK在速度控制信號N1的控制下得到脈沖分配器(狀態(tài)機)的輸入時鐘，此時鐘的頻率決定控制邏輯輸出的頻率從而(在允許的范圍內)控制電機的轉速。EN為高電平時系統(tǒng)使能開始正常運轉。N1為01H代表電機正轉，00H代表電機反轉。
　　

程序的脈沖分配器部分采用狀態(tài)機的方法編寫。狀態(tài)機是純硬件數(shù)字系統(tǒng)中的順序控制電路，在狀態(tài)機的運行方式上類似于控制靈活方便的CPU，而在運行速度和工作可靠性方面都優(yōu)于CPU。
狀態(tài)機部分的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 結論
　　

實踐表明.這樣的控制方法切實可行。在整個工作過程中，單片機運行穩(wěn)定。電機能夠根據(jù)情況完成正常的正轉反轉，加速減速。

3 結語
　　

單片機是一種非常傳統(tǒng)的智能控制器件，無論是智能家電還是消費類產(chǎn)品都有它的身影。CPLD器件在各種場合的應用也越來越廣泛。兩者有各自的優(yōu)缺點。單片 機控制功能很強，能完成復雜的數(shù)學運算.但是穩(wěn)定性稍差。CPLD運行速度快。程序不會跑飛。適合產(chǎn)生各種復雜組合邏輯和時序邏輯。可以靈活的定義各個引 腳的與外圍電路連接的電氣特性等。使用單片機和CPLD聯(lián)合控制步進電機只是不同類型的器件協(xié)同完成同一任務在實際應用中的一個例子。實踐證明這種方法是 可取的。