CPLD器件在两相混合式
北京航空航天大学 郭宏 胡曼丽 王光能
摘要：文章详细介绍了一种以X ilinx公司生产的CPLD器件XC9536为核心来产生电机绕组参考电流，进而实现具有绕组电流补偿功能的两相混合式步进电动机10细分和50细分运行方式的方法。实践证明，该方法可以有效地提高两相混合式步进电动机系统的运行效果。 关键词：两相混合式步进电动机驱动器 CPLD 电流细分 电流补偿
Appl ica tion of CPLD i n Two-pha se Hybr id Stepp i ng M otor Syste m s
Guo Hong H u M an li W ang Guangneng
Abstract:T h is paper p ropo sed a contro l m ethod fo r Two2Phase H ybrid Stepp ing M o to r System s based on CPLD.W ith the help of the CPLD,the sinuso idal reference currents are generated easily,com bined w ith the compensative parts.T he experi m ental results demonstrated that th is contro l m ethod can effectively i m p rove the perfo rm ance of two2phase H ybrid Stepp ing M o to r System s.
Keywords:two2phase hybrid stepp ing mo to r system s CPLD subdivisi on compensati on
1 引言
绕组电流控制技术在步进电动机系统中的应用，使得步进电动机绕组的电流波形可以进行有效的控制，步进电动机系统的运行性能大幅度的提高。
两相混合式步进电动机结构简单、成本低，在机电一体化领域应用得非常广泛。要合理控制两相混合式步进电动机绕组中的电流，使每个进给脉冲所对应的合成磁场幅值恒定、角度变化均匀，就必须对电动机绕组电流实行均匀细分控制。另外，考虑到电机高频运行时转矩会有所下降的趋势，需要对高频时电机绕组的电流予以补偿，使电机的输出转矩随着运行频率的提高基本保持恒定。
本文以X ilinx公司生产的CPLD器件XC9536为核心来产生电机绕组参考电流，实现了具有绕组电流补偿功能的两相混合式步进电动机10细分和50细分运行方式，获得了良好的系统运行效果。
2 CPLD简介
测试机器人CPLD是继PAL、GAL等逻辑器件之后出现的一种新型的复杂可编程逻辑器件。同以往的PAL、GAL等逻辑器件相比较,CPLD的规模大，适合于时序电路、组合电路等应用场合。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。CPLD芯片可反复的编程、擦除、使用，在外围电路不动的情况下用不同
的EPROM就可实现不同的功能。
复杂可编程逻辑器件XC9536采用先进的5V C M O S快速闪存技术，使编好的程序可通过下载线快速方便的配置芯片;CPLD采用JTA G 边界扫描测试技术，可有效的测试引脚间隔致密的电路板上零件，使性能更可靠。
3 CPLD的具体应用
以CPLD为核心逻辑控制器件的两相混合式步进电动机驱动器主要包括以下部分：前向通道、核心逻辑控制电路、电流设置(补偿)电路、数 模转换电路、驱动电路、检测保护电路等。系统总体结构如图1。
其工作过程如下。从控制器输入的脉冲、细分数选择、励磁O FF、方向等信号经过前向通道后，送给以CPLD为核心的逻辑控制电路，这里，信号经过判断处理，输出相应的细分控制数据至D A转换器,D A转换器根据电流设定值和补偿值，输出模拟的正弦波绕组电流参考信号，参考信
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电气传动 2001年 第4期
对路网
图1 两相混合式步进电动机驱动器总体结构框图
号与电流反馈信号共同控制PWM
波形发生器，使之产生脉宽调制波,PWM 波通过驱动电路后，加在步进电动机的绕组上控制其电流,
从而驱动步进电动机运行。
X ilinx 公司的Foundati on Serial 软件适合于CPLD 等复杂可编程逻辑器件的设计输入、前仿真、设计输入编译、设计输入优化、布局布线、后仿
真。设计者可以在此环境下进行设计，通过综合、仿真，测试程序的有效性。
我们应用AB EL 软件对XC 9536进行逻辑设计，实现两相混合式步进电动机绕组电流均匀细分及输出转矩恒定的控制。
图2 采用CPLD 实现步进电机参考电流均匀细分及恒流控制框图
3.1 正弦波绕组电流参考信号的形成
为了得到圆形的合成磁场，使电机运行平稳，减小电机的低频共振，绕组参考电流信号应采用正弦波形。采用以CPLD 为核心的逻辑控制电路(原理图如图2所示)来形成正弦波绕组电流参考信号的具体方法是：按电机运行所要求的细分数将正弦的绕组额定电流分成若干台阶，即在零到最大相电流之间划分多个稳定的中间电流状态，将其幅值的数字量存入EPROM 。步进电动机步
距角不均匀容易引起电动机的振动和失步，为保证细分后步距角仍然一致，通电电流的台阶就不应该是均匀的。假定n 细分时合成磁势每步旋转
Η度，则电流各台阶幅值按sin Η变化。
因为是两相步进电动机，可同理存储一组余弦波形的参考电流值，供另一绕组通电时采用。
通过将CPLD 、EPROM 和锁存器灵活地结合，用CPLD 的8位地址线实现了4K 字节数据的访问，极大地节省了CPLD 的资源。具体实现为：将正弦、余弦和电流补偿等数据分段存储，每个数据段对应数据的低8位地址相同，对应位置再放一段地址数据。访问时，先读出低8位地址数据到锁存器，再改变高4位地址，利用综合的12位地址线即可实现不同数据的访问。3.2 不同细分数的实现
采用CPLD 和EPROM 的配合使用，实现了两相混合式步进电动机在步距角细分数不同的情况下，相应参考电流的输出。具体方法是：先在最大细分情况下将参考正弦波分成若干阶梯，当电机要求最大细分时，由CPLD 控制依次读取EPROM 中的存储数据；当电机要求的细分数小
于最大细分数时，可由CPLD 控制相应跳读
EPROM 中的部分存储数据。
譬如，要对两相混合式步进电动机的步距角分别实现10细分和50细分，可在1个励磁磁场变化周期内将参考正弦波分成200个台阶；额定电流是台阶式的投入或切除。50细分时，每来1个进给脉冲，额定电流幅值变化1个台阶；当10细分时,CPLD 在EPROM 存储的数据表中，每隔5个数据读取一次，每来1个脉冲，额定电流幅值变化5个台阶。这样便分别得到50细分和10细分的电流参考值。
核酸检测方法这种方法也可用于任意细分数的步进电动机驱动器中，可方便的实现步进电动机系统的多种细分驱动。
3.3 补偿电流的实现
为弥补高频运行时电机输出转矩的下降，必须在高频时补偿电机绕组电流值。对两相混合式步进电动机的绕组电流进行补偿的方法是：根据频率值及细分数，在EPROM 中存储多组不同的补偿数据。当外部控制信号进入CPLD 时,CPLD 可根据不同的频率、不同的细分数，从EPROM 中读出与细分数相应的补偿频率，再将此频率值输出给频压转换器LM 2917，其输出对电机绕组
电流给予补偿。
(下转第48页)1
4电气传动 2001年 第4期
小的负电压，使其输出端为正，使功放管截止，从而保证给定为零时，电机处于停止状态。
4 调试结果
直接测量极低的电机转速n (r m in )是困难而不准确的，一个有效的方法是转换成测量电机转一圈的时间T (s )。
T =
60
n
(5)将式(3)代入，并使用实际机械变比参数k i =5 12，得
T =144 V交通评估
(6)表1 理论与实测数据对照表
理 论 计 算
实测
分析计算V珍珠岩膨胀炉
(mm h )
n
(r m in )T
(s )T s
(s )线性误差∃T T
(%)10.04.16714.414.50.698.0
3.3331818.10.566.02.500242
4.20.834.01.6673636.41.112电容式压力传感器
.00.83372731.391.00.4171441461.390.80.3331801821.110.60.2502402441.670.40.1673603610.280.2
0.0833
720
727
0.97
当要求的提拉速度V 已知时，按式(3)及式
(6)可计算出对应的电机转速n 和T 值。表1列出了理论数据和实测数据，并计算了线性误差。可见，在整个调速范围内，线性误差均在±2%以内。
5 工程应用及结束语
文章所述的单晶炉提拉速度控制系统，已在工程上得到了成功应用。图4是工程应用现场所记录的示波图，系统动态响应快，稳定性良好。该系统结构简单，成本较低，完全满足单晶炉提拉的要求，是一种颇有实用价值的控制系统，现已投入批量生产。
4 现场运行示波图
(a )启动停车过程 (b )堵转过程
参考文献
1 孔凡才.自动控制原理与系统.机械工业出版社,19962 周德泽.电气传动控制系统的设计.机械工业出版社,19853 陈隆昌，陈筱艳.控制电机.西安电子科技大学出版社,1992
收稿日期:2000212201
(上接第41页)
图3 D A 转换器输出细分参考电流波形与
电机反馈电流波形比较
(a )10细分参考电流波形 (b )10细分电机反馈电流波形(c )50细分参考电流波形 (d )50细分电机反馈电流波形
4 实验结果
利用本文设计的以CPLD 为核心的逻辑控
制电路对两相混合式步进电动机实现了10细分和50细分的斩波恒流细分控制，取得了理想的实
验结果。D A 转换器输出的参考细分电流波形及电机反馈电流波形见图3。由图3可见，由CPLD 控制的绕组参考电流非常理想，电机反馈电流(实测绕组电流)与参考电流基本吻合。
5 结语
本文利用复杂可编程逻辑器件CPLD ，具体设计了一种具有细分和绕组电流补偿功能的CT 床用两相混合式步进电动机驱动器绕组电流10细分和50细分驱动方式的控制。实际运行表明，采用CPLD 实现两相混合式步进电动机的绕组电流均匀细分及输出转矩恒定的控制是可行的，它能显著提高两相混合式步进电动机的分辨率，减小振动，增加电机运行时的稳定性，具有很高的实用价值。
收稿日期:2000211220
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