以CPLD为基础的步进电机控制分析

王子函

摘要：本文设计了一个基于CPLD的步进电机器，步进电机共有8个速度级，控制系统原理较为明晰，能将各部分的内容呈现出来。在CPLD步进电机的控制和处理器接口的处理下，对硬件结构的展现较为直接，完成了系统的有效组结。

关键词：CPLD；步进电机；控制

CPLD为基础的步进电机控制系统，特点鲜明，优势突出，比如在硬件方面的结构相对简单，而且灵活度非常高，并产生很强的可靠性，与处理器的接口处理更加便捷，最关键的是，系统的稳定程度较强，并且很可靠，对于步进电机的控制和驱动都能表现出良好的效能。

1 步进电机的控制驱动

步进电机，从严格的意义上讲，是电脉冲信号转换成的机电原件，其工作原理进而从结构上划分成四种类型，一种是反应式，一种是混和式，一种是永磁式，一种是直线式。其中，前两种最为常用，相数的种类也很多，包括本文后面所谈到的一些。

处理器发送方向信号，在环状脉冲分配器接收的同时也接收了四种脉冲信号，信号经分配器传出，或功率放大，进一步对步进电机的驱动产生作用。在我们常见的范围内，电压和电流驱动比较普遍，斩波恒流驱动器比电压驱动功率增大的情况还要效率高的多，对于步进电机运行过程中出现的低频共振现象的消除起着重要的作用，并且维护了进步电机运行的稳定程度。

专门的芯片可以促使环形脉冲分配器实现逻辑驱动，当然，斩波恒流驱动也会由此发挥作用，控制电路的复杂性，无形当中增加了系统的运营成本，这是其功能发挥带来的弊端。另外，环状脉冲分配器这位作为重要的处理器，包含了很多有效信息，比如在步进电机运行中，因为速度和角度的不同导致的时钟脉冲信号信息不一致等。本文利用了CPLD，这个几问题上更直接，并且简化了系统的硬件结构，减少了对处理器资源的依赖。

2 系统信息发挥原理

CPLD器件的使用，完全简化了系统硬件电路结构，在处理器安排上更能体现系统的总线情况，而且也对步进电机控制驱动系统的命令发送提供了有效的资源形式，获得了系统的应允和状态呈现。步进电机的驱动完全控制在CPLD之下，能较大程度的降低处理器运行负担，为效率的提升带来好处。处理器控制步进电机驱动的主要支柱就是CPLD，是环状脉冲分配器控制了寄存器，并且设置了步进电机励磁方式，当分频器的寄存器将分频数字写下时，对于分频系数的大小就更有把握，并且还能明晰具体的步进电机的转数。计数器会获得设备或人工提供的入计数初值，计数器则会自动减数。计数器被启动后，分频器输出信息与相应信号汇合至恒流斩波逻辑模块快，进而形成功率较大的电路，产生步进电机驱动的状态。当计数器为0，低电平状态将信息入冲门关闭，环状脉冲分配器的分配内容也发生变化，步进电机在接收到讯号后也会停止运行。从无数的实验中得知，计数器模块的计数值填入对于步进电机的转动方向和力度都起着关键作用，在电流检测模块应该充分重视设定值与单项电流的比值，并与斩波恒流逻辑模块也联系起来。

3 系统呈现

3.1 CPLD的有效选择

Altera公司的EPM7128SLC84提供了CPLD的选项，供有效匹配度的选用，在内部编程逻辑中，也聚合了将近2500个编程逻辑门单元，下面又有其他简单或者分化的内容分布，在使用上更加的灵活便捷，为系统的扩展释放了更加的使用空间。

3.2 VHDL编程语言

这种语言是属于硬件描述语言范畴，对于系统的机构、行为和功能，乃至接口都有描述。硬件特征的语句较多，但也可以理解为风格别致的计算机高级语言模式。VHDL程序结构特点有可视外部和不可视的内部后塍，是工程设计的重要组成。在设立理念上，应该是主要取决于内部的开发速度，如果较好的完成，设计就可直接运用与具体实体上。系统实现过程不是简单的操作，利用了更好的开发软件，将各个模块都聚集到一起开发，通过原理输入，又将模块的连接和编译工作推行到每一个环境中，实现了语言控制系统的作用，也为系统装上了聪明的大脑。

如果设计实体行为与相关数据结构都能在ARCHITECTURE中体现，那么还会受到篇幅的影响而没有具体信息输出。当然，编译之后，调用的情况就会增多，原理输出环境就会开放，原件被使用也会习以为常。

3.3 斩波恒流驱动作用发挥

不管是步进电机的任何驱动和种类，都主要想保持在理想状态下额定值的稳定，而斩波恒流的作用发挥正好弥补了这个领域的功能欠缺。需要强调的是，斩波时钟频率应该保证在20kHz一下，降低噪音发出。我们要选取斩波频率较高的设备可解决噪声带来的困扰，当然，对于功放大电路的器件要求也是十分高的，可能在设计中要注重这一点。步进电机的斩波频率选择的相同化，能有效的消除噪声，让步进电机功能发挥更稳健、更安全。

还与另外一种情况，即确保斩波恒流逻辑保持与功率较大电路电流的检测电路相配合，进一步实现步进电机恒流斩波驱动的有效发挥，在此过程中，电路控制系统将会受到影响，功能放大与系统弱电控制都将会发生较大的变化，给器物的运转带来影响。

我们知道，步进电机具有储能作用，而斩波频率较高，就造成波动较快，必须利用二者关系将电流波动幅度降低，进行实现对步进电机的斩波恒流的控制，否则波流的跳跃与反复将对系统功能产生不利影响，因此，在相关操作上会有反复性行为。整体运行原理基本上是通过调节器R14来实现或者完成，因为它可以调整步进电机电流的大小，进而为额定电流的输出提供方便，由此产生与电机的配合度增强的状况，就实现使用灵活的目标。步进电机的电感值相对较为明显，电路中如果增加了诸如R7和C2的电感值，那它就会在驱动中获得缓冲时间和空间，进一步避免MOS管因为受到电压影响而导致毁损现象。

4 结语

CPLD作为基础的步进电机的控制系统，在几个领域和模块中都存在着巨大价值，诸如处理器接口逻辑、步进电机转速和转动角空子、环形脉冲分配器、斩波恒流驱动逻辑都受到它的影响实现了基本功能，以及电路结构的简单化，在互相配合和功能有效发挥中，提高了系统的集中乃至可靠程度，进一步降低系统应用风险，降低了处理器运行负担，在整个电机控制系统中应该充分发挥步进电机的功能，并通过各种人员配合和努力，设计出更加合理、科学、有效、安全的系统部件，促进整体运转稳定高效。

參考文献：

[1]曾繁泰，陈美金.VHDL程序设计.第2版.北京：清华大学出版社，2018.

[2]刘宝延，程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2017.

[3]唐竞新，祝永进.脉冲电流源型步进电机驱动器的研究.清华大学学报（自然科学版），2016，39（9）：102-126.