用GAL芯片实现新型步进电机环形分配器的细分.doc

用GAL芯片实现新型步进电机环形分配器的细分一.3用GAL芯片实现新型步进电机环形分配器的细分O山东工业大学张强杨杰张承瑞李春阳栗芝云A摘要通过对步进电机细分技术及环形分配控制方法的分析,应用GAL集成电路设计了一种细分步进电机环形分配器,文章介绍关键词步进电机环形分配器j其原理和使用方法.术迪一,引言升为额定值.如图所示.步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机电元件,具有成本低,控制特性好等特点,已广泛应用于数控机床,自动化仪表等设备的自动控制系统中但是由于工艺制造等方面的原因,步距角不可能做得很小,在运行时存在着明显的步进感,甚至产生振荡或失步.为了克服这些缺点,各种细分驱动电源不断出现,目的是把步进电机的每一粗步(自然步)进行细分,得到较小的步距然而细分步进电机环形分配的控制采用传统的软件环分占用机时较多,限制了步进电机的运行速度;而由于逻辑关系比较复杂,采用传统的硬件环分又难以实现.为解决以上困难,本文采用通用阵列逻辑GAL20V8集成电路芯片,利用特殊输出逻辑宏单元(OLMC),使步进电机多种所需的组合逻辑环形分配输出.实现3相步进电机变步距运行要求的控制,提高了硬件环形分配控制的集成度和可靠性,扩大了控制动能.该技术已成功的应用在简易数控车床和滚齿机中.二,细分原理及细分驱动电路所谓细分即是使电机通电电流由矩形波通电换为阶梯波通电,以使运行步距变小.本文是指绕组电流经由若干台阶升至额定值.或反之降至零.细分电机的矩角特性可由如下求出:设电机从一相通电过渡至两相通电,初始态A相为额定电流,且A为参考相,过渡过程中A相电流均维持额定值,B相电流从零逐级?38.圈1方矩分壤上升则在初始态时脚=jIf一MA?0=M?Z0,B相电流分级增加,则在第级时,B相之矩角特性为MRx=MRK?nMKM+醅BK=MKR式中为B相电流增大K级后转子转过之角度为B相及A相通额定电流时转子转角.由图所示,有嚣一MA即=M?=M.上式表明,随变化,肼之值也逐渐变化,且与成非线性关系.我们采用的微机控制细分电路,其基本框图见图2.士图2驱动电路框图制造技术与机床;一吲.黍控制电路模块化,与CPU间光耦隔离,保证抗干扰性能.勃级用恒流崭渡其上升电流方程为(1-e-式中相电流r电机内阻r电路时间常数(一叶_)R.采样电阻时间当用3相3o拍方式运行时基本渡形如下:A()c器铲圈3五细丹波形三,3相步进电机变步距控制设计要求步进电机按绕组数可分为3相,4相,5相,6相等多种类型,工作原理基本相同,各相的驱动相序变化规律又可分为1相激励,12相激励,2相激励,23相激励方式等.3相步进电机常用的半步运行方式12相激励(3相6拍)为AA一BBCCCAA.表1给出3相步进电机半步运行方式各相激励的真值寰2表:表2给出步进电机3相30拍运行方式各相激励的真值表.为实现3相步进电机变步距控制,环形分配器应实现以下功能寰1ABcIA0A3B1B2B3C1C2C3lI1Ill;(1)H/M为3相6拍或3相30拍运行方式控制;(2)ZF为正转或反转运行方式控制;(3)A/Z,A/F为限位保护控制.四,电路连接原理:图4为3相步进电机细分驱动硬件环形分配器GAL20V8输出输入控制电路连接原理图.由于细分环形分配器需9个输出和14个输入.必须采用两片GAL20V8;而为了降低成本,D触发器采用j片74LS74.所以由两片GAL2OV8和5片74LS74组成硬件环形分配器.电路的左右X.1x8为计算机控制口,硬件环形分配器的左边与计算机控制口匹配,右边通过反相器MC1413实现对细分驱动电源功率放大电路的控制,最后实现控制步进电机按设计要求运行.llllllll1l111l11111l1l1111lll11lll1l11l111111111111l111l1111l111l1996.卑第1期图4硬件环形分配器电路原理图五,控制方法由图4可见,硬件环形分配器与计算机控制口的内部关系计算机控制口定义见表3.表3(1)首先保证驱动电源上电时Set/为高电平4.5V.然后从CLK输入一个脉冲在脉冲下沿来到时,硬件环形分配器有效,即预置输出状态A1通电,这时Set/百由高电平变为低电平(d04V),则步进电机电源上电,A1通电锁定此后随着CLK输人端的步进脉冲信号,步进电机开始运行.其运行频率由CLK的脉冲频率决定.该信号在GAL2OV8芯片中设定为s.(2)由胃/M端控制步进电机以两种不同的分配方式运行.当FI/M为低电平时,步进电机以表1所示的3相6拍方式运行;当再/M为高电平时,步进电机以表2所示的3相30拍方式运行.该信号在GAL20V8芯片中设定为M.(3)Z/F为步进电机运行方向控制端.当XlX2X3X4X5x6X7X8CLK脉计算机.E,M步距.Z/F方南.Set.璜置.A/Y,正转运.A,F反转运.计算机冲输凡电源+5V方式选辑方式选择允许输入控制行限位控制行碾位控制地埋GNDZ/F为低电平时,步进电机按正转方向运行;当Z/F为高电平时,步进电机按反转方向运行.该信号在GAL20V8芯片中设定为F.表4A,zZ/F1CLKHlH任意t有效L【HLl无效HfLI-/f无效LHHI有效HlLLl有效圈5(4)A/Z,A/F为限位保护控制.这两端可为保证数控设备安全操作和运行而采用.使用方法见图5和表4,K1,K2为数控设备上两个方向的限位行程开关.当某个限位开关被压下时,驱动器自动停止该方向的输出,使该方向的CLK无效.不用切断整机电源,以保护数控设备安全该信号经反向后为计算机所接收,在CAL2OV8芯片中分别设定为x和Y.(5)GAL20V8的逻辑表达式(略)六,结论以通用阵列逻辑GAL设计的步进电机细?4O?分环形分配器具有集成化程度高,控制功能强,控制编程灵活,适应范围广等优点,可实现3相步进电机变步距环形分配及其它辅助控制,比专用器件功能强,并简化了硬件环形分配控制电路,提高了系统的可靠性.用户可按同一方式设计控制软件,实现对步进电机不同步距的控制,具有编程方便应用灵活等优点另外,可减少计算机控制时间,提高控制系统的反应速度和坐标联动数,以及使系统容易实现闭环控制,提高了系统的控制功能及系统的可靠性参考文献1陈雷.通用阵列逻辑GAL应用.电子技术应用.1991(2)2应钢等PLD/GAL可编程逻辑器件原理和应用.中国科学院希望高级电脑技术公司技