可編程邏輯器件實現五相步進電機環形分配
謝小平（成都光電技術研究所 610029）
1 引 言
步進電機作為精密的執行元件，廣泛應用于現代電子、機械等行業，步進電機的執行過程是由它的通電方式即控制脈沖完成，而環行脈沖分配器是產生控制脈沖中心。因此，步進電機執行過程是環行分配器重復周期。環行分配器的可靠性、精確度以及可變性控制對步進電機的控制都很重要。環行分配器實現的原理是根據步進電機的工作方式設計的。三相步進電機的工作方式是a、ab、b、bc、c、ca，共6拍方式，四相步進電機的工作方式是8拍，五相步進電機是10拍或者20拍。環行分配器組成結構多種多樣，如計數器和觸發器、單片機和存貯器、存貯器和計數器等。它們器件多，體積大，可靠性低，成本高，并且一旦電路設計完成之后，邏輯關系和時序過程就完全固定，無法修改，只有再次制版、調試等反復加工后完成，這樣周期長，成本高。而利用現場可編程邏輯器件憲全克服這些缺點，它具有易于編程和調試、時序關系變化等特點。它按設計思路編程，仿真正確后，由編程器將程序寫入器件，加電即可一次完成工程設計。本文介紹用fpga實現五相電機的環形分配。
2 可編程邏輯器件的特點
可編程邏輯器件是在線電擦除的可編程的邏輯器件，邏輯門電路上千門，一片fpga可以代替幾十片，甚至上百片數字集成電路，這就使原有的ic芯片的使用越來越少，它的出現使傳統電路設計得到了很大的改進。傳統的電路設計過程是，先畫原理圖，把原理圖
繪制成印刷電路板圖，再制板，安裝，調試。有了fpga，只需在計算機上用原理圖、波形方式或文本方式等描述出邏輯功能，再利用相應開發軟件進行編譯，直至正確后，進行邏輯上波形時序仿真，根據波形時序圖就可以判斷所設計的邏輯功能和時序關系的正確性。并通過寫入器將編譯后的文本文件寫入器件中即可，再做一個小印制版、安裝，完成整個邏輯電路的設計工程。在調試過程中，如果邏輯上需要變化，僅改變軟件，而無需硬件變動就能完成相應功能，因此，有了fpga器件，電路設計時序變化和維修以及專用化都非常方便。
fpga的特點[1]：
(1)集成度高。如一片max7000可多達7000令門邏輯電路。
(2)結構靈活，設計方便。在電路設計時，可隨時對邏輯結果進行實時仿真，驗證設計邏輯的正確性，即時修改邏輯關系。
(3)開發周期短，成本低。使用可編程邏輯器件，從設計構思開始到完成批量生產，僅需一至兩周的時間。可省大量集成電路制板工序，不但省時，而且還縮小體積，降低了費用，如pcb板的面積減小，元器件減少，裝配檢驗等費用降低。
(4)速度快。因為所有邏輯功能都在一個集成塊中進行，無需外部控制電路，使i/o接線減少，整個系統的工作速度大大提高。
(5)可靠性提高，故障率降低。使用fp-ga后，元器件減少，排除器件之間的接觸不良、時序關系不匹配等故障。
(6)安全性增強。使用有加密位的fp-ga，如altera公司的max系列，將使硬件的仿制變得十分困難，有利于設計者的專利保護。
五相步進電機的環行分配就是根據fp-ga邏輯功能強、容量大等特點而實現的。用roze五相電機，它一共10個接線端。用五相h橋作功率控制，并采用恒頻控制方式，則橋上臂的控制信號是橋下臂的控制信號與頻率相與后輸出信號。因此，每相電機功率控制源共4個控制信號，對五相電機，共20個輸出信號，如果用gal實現脈沖分配器，則需要3片gal才能完成設計要求，并且gal無法實現復雜的邏輯關系，而一片epm7000系列完全實現此功能。
3五相步進電機的通電方式
五相步進電機有5個繞組，每相繞組有正向通電和反向通電2種狀態，所以五相電機共有10個狀態，即：a，a，b，b，c，c，d，d，e，e，其相量構成轉矩相量圖如圖1所示。
4 fpga環形脈沖分配器設計
根據轉矩相量圖可得邏輯通電狀態表[2]，根據工程需要，選用4-5通電方式，則通電狀態共有20拍，其步矩角為0.36度。
由互相步進電機邏輯通電狀態變化，確定了電機控制方式和邏輯關系即環形分配器輸出信號。它控制驅動功率的關斷以控制電機的繞組電流。
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