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基于GAL器件的步進電機控制器的研究與設計
摘要：介紹了利用陣列邏輯器件GAL16V8對三相六拍步進電機實現控制的方法及其電路設計。通過計算機編程器對GAL進行編程，可以滿足各種控制要求。該電路簡單，工作穩定可靠，編程靈活方便。步進電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動控制系統中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。目前，對步進電機的控制主要有由分散器件組成的環形脈沖分配器、軟件環形脈沖分配器、專用集成芯片環形脈沖分配器等。分散器件組成的環形脈沖分配器體積比較大，同時由于分散器件的延時，其可靠性大大降低；軟件環形分配器要占用主機的運行時間，降低了速度；專用集成芯片環形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應性受到限制，同時開發周期長、需求費用較高。通用陣列邏輯GAL(Generic Array Logic)是美國Lattice公司研制的一種電可擦除的可編程的新型PLD器件。近幾年來，GAL以其高性能、高可靠性、可擦除及輸出邏輯結構可組態等特性和100％的成品率，博得廣大用戶的信賴。它可以用來構成譯碼器、優先級編碼器、多路開關、比較器、移位寄存器、計數器、總線仲裁器等。采用GAL器件對三相步進電機進行控制，不僅簡化了系統的結構，降低了成本，而且編程靈活方便，提高了系統的可靠性，使系統具有更強的適應性。
1 三相六拍步進電機控制要求
矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數來實現。三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情況下，三相步進電機采用三相六拍運行方式。三相步進電機工作在三相六拍運行方式時，每個狀態的變化使電機轉動1／6齒距，三相激勵規律為A-AB-B-BC-C-CA共六拍，對應時序如圖1所示。A、B、C分別代表接到三相步進電機A相、B相、C相繞組的驅動脈沖。
通常，步進電機的脈沖控制是由邏輯電路實現的。在計算機控制的系統中，也可以通過編制程序，由擴展I／O口輸出脈沖來決定電機的運行方式、方向及轉速。這種方式電路簡單、控制靈活，但占用CPU的時間過多，每次驅動電機時，PC機都得被占用。本文采用可編程邏輯器件(PLD)中的GALl6V8設計邏輯電路。在此，選三個控制信號：(1)啟動控制信號S，當S=1時為停止，S=0為啟動；(2)正反轉控制信號D，當D=1時電機正轉，D=0時電機反轉；(3)轉速切換信號R和C，當R=0、C=0時，頻率為fck；R=1、C=1時，頻率為fck／2。步進電機的轉速通常都是通過改變時序脈沖的頻率來控制的，所以這里用頻率來表示轉速的改變。由于GAL器件所有觸發器的時鐘是連在一起的，不能同時引入兩種以上頻率的時鐘，因此從改造組合邏輯部分人手，達到對電動機轉速的二分頻控制。同理也可以實現四相八拍、五相十拍、六項十二拍的步進電機控制，這就比專用的集成電路功能更強。
2 采用GAL控制脈沖分配的邏輯設計
若采用集成電路芯片來實現三相六拍步進電機的控制，所用器件較多，電路一般比較復雜。為了滿足電機轉速的二分頻，在同一時鐘頻率控制下，必須利用一個D型觸發器，通過C參與組合邏輯來實現。其邏輯電路如圖2所示。CK為控制信號，三個D型觸發器的輸出O、P、Q分別接步進電機的三項繞組。根據步進電機驅動相數及控制要求，必須有相應于相數的延遲觸發器保持現態與次態間的轉換過程。對此，可利用GAL中八個輸出邏輯宏單元中的三個來完成，電機的工作狀態(O、P、Q)中的現態與控制信號(S、R、D)可通過GAL的與、或陣列組合邏輯來完成。
2．1 邏輯控制狀態表
按照電機的激勵規律，在時序脈沖作用下，時序電路的狀態將在六個狀態中循環，驅動電機運轉。這里用a、b、c、d、e、f分別表示其六個狀態，即a=100、b=110、c=010、d=011、e=001、f=101。根據邏輯電路圖可得其狀態表，如表1所示。
表1 邏輯控制狀態表
RDC
現態10×000010100110101111aafbfbaabbecacbbccddbdccddceceddeebfdfeeffaaeaff
表1中分頻控制量R決定C的取值，即C=RC。當R=0時，電機按fck頻率運行，當R=1時，C重復取0和1，電機按fck／2頻率運行。
2．2 狀態真值表
由表1可得狀態真值表，如表2所示。表中O、P、Q狀態是在時鐘脈沖控制下變化的，在控制變量的控制下，決定電機的啟動、轉向和轉速大小。
表2 狀態真值表
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