基于GAL器件的步进电机控制器的研究与设计

步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低；软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度；专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic)是美国Lattice公司研制的一种电可擦除的可编程的新型PLD器件。近几年来，GAL以其高性能、高可靠性、可擦除及输出逻辑结构可组态等特性和100％的成品率，博得广大用户的信赖。它可以用来构成译码器、优先级编码器、多路开关、比较器、移位寄存器、计数器、总线仲裁器等。采用GAL器件对三相步进电机进行控制，不仅简化了系统的结构，降低了成本，而且编程灵活方便，提高了系统的可靠性，使系统具有更强的适应性。

1 三相六拍步进电机控制要求

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情况下，三相步进电机采用三相六拍运行方式。三相步进电机工作在三相六拍运行方式时，每个状态的变化使电机转动1／6齿距，三相激励规律为A-AB-B-BC-C-CA共六拍，对应时序如图1所示。A、B、C分别代表接到三相步进电机A相、B相、C相绕组的驱动脉冲。

通常，步进电机的脉冲控制是由逻辑电路实现的。在计算机控制的系统中，也可以通过编制程序，由扩展I／O口输出脉冲来决定电机的运行方式、方向及转速。这种方式电路简单、控制灵活，但占用CPU的时间过多，每次驱动电机时，PC机都得被占用。本文采用可编程逻辑器件(PLD)中的GALl6V8设计逻辑电路。在此，选三个控制信号：(1)启动控制信号S，当S=1时为停止，S=0为启动；(2)正反转控制信号D，当D=1时电机正转，D=0时电机反转；(3)转速切换信号R和C，当R=0、C=0时，频率为fck；R=1、C=1时，频率为fck／2。步进电机的转速通常都是通过改变时序脉冲的频率来控制的，所以这里用频率来表示转速的改变。由于GAL器件所有触发器的时钟是连在一起的，不能同时引入两种以上频率的时钟，因此从改造组合逻辑部分人手，达到对电动机转速的二分频控制。同理也可以实现四相八拍、五相十拍、六项十二拍的步进电机控制，这就比专用的集成电路功能更强。

若采用集成电路芯片来实现三相六拍步进电机的控制，所用器件较多，电路一般比较复杂。为了满足电机转速的二分频，在同一时钟频率控制下，必须利用一个D型触发器，通过C参与组合逻辑来实现。其逻辑电路如图2所示。CK为控制信号，三个D型触发器的输出O、P、Q分别接步进电机的三项绕组。根据步进电机驱动相数及控制要求，必须有相应于相数的延迟触发器保持现态与次态间的转换过程。对此，可利用GAL中八个输出逻辑宏单元中的三个来完成，电机的工作状态(O、P、Q)中的现态与控制信号(S、R、D)可通过GAL的与、或阵列组合逻辑来完成。