基于CPLD的步进电机控制器设计

摘要：本文设计了一种基于CPLD的步进电机控制系统。它以CPLD作为核心器件，极大地减少了外围元件的使用。具有系统扩展性能好、可靠性高、抗干扰能力强、结构简单、成本低廉，不占用CPU时间、易于高速控制等优点。

关键词：步进电机，控制器，CPLD

1、前言

步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率实现调速、快速起停、正反转控制等，由其组成的开环系统简单、可靠，因此它被广泛的运用于数控机床、自动记录仪、工业机器人、无损检测等系统中，步进电机的性能很大程度上取决于其控制系统[1]。基于CPLD的步进电机控制系统[2]具有I/O端口多，可自由编程定义其功能等特点，大大缩减了电路的体积、提高电路的稳定性。先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。利用VHDL语言进行软件编程，通过EDA设计软件对程序编译、优化、综合、仿真、适配，可以对步进电机控制实现数字输入。系统外围电路设计相对简单、可靠，且鉴于CPLD和VHDL语言自身的特点，系统具有较好的扩展性，在控制系统中也具有一定的通用性。

2、系统设计方案

如图1所示。首先输入原始时钟信号，经过分频器得到10ms按键判断周期和频率为2048Hz的时钟信号，2048Hz的信号经过外部硬件分频以后输入芯片，作为电机的转速信号。由按键输入四个控制信号，和电机的转速频率信号一起送入电机控制状态机，由状态机根据不同的输入来选择电机输出控制信号。

图1 系统设计框图

3、系统硬件设计

CPLD采用Altera公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15。驱动电路原理图如图2所示。

图2 驱动电路原理图

CPLD输出控制信号连接至图上的A、B、C、D四个端口。其控制信号经光电隔离后进入ULN2003A。ULN2003A是一片集成了7个达林顿管的芯片。来自光耦合的5V高电平信号经过ULN2003A以后，输出端与地导通。步进电机的正极接上12V的工作电压，负级接在ULN2003A的输出端，当CPLD的I/O口为低电平时，步进电机的负极与地开路，正负极之间没有压差，电机不运转；当CPLD的I/O口为高电平时，步进电机的负极与地导通，正负极之间形成12V压差，电机运转。

步进电机的转速是由四个线圈的通电速度决定的，也就是由输入脉冲的频率决定的，因此，步进电机的转速选择其实就是输入脉冲的频率选择。本设计采用双四位二进制计数器74LS393N进行硬件分频。频率源为CPLD的2048Hz的频率，将74LS393N内部的T触发器串联，就能将2048Hz的频率分频得到0.5Hz～1024Hz、等比倍率为2的频率，这些频率通过硬件选择器选择输入至CPLD的I/O口就能进行电机转速的控制了。

4、软件设计

本设计使用Quartus II进行系统的软件设计及仿真。Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，支持VHDL的硬件描述语言。首先由外部的按键产生RST（复位）、EN（使能）、MODE（模式）、CTRL（转向）四个控制脉冲信号，脉冲信号经过消抖模块进行消抖后送入主控制器。由于EN、MODE、CTRL这三个信号在主控制器内为电平有效，所以在信号送入主控制器之前用T触发器进行电平的锁定。四个控制信号和外部输入的电机转速时钟信号clk_step一同送入主控制器，主控制器经过运算以后得出电机四个相位的通电信号，通电信号经过D触发器消除毛刺以后从芯片I/O口送出。

主控制器模块有5个输入信号和4个输出信号，其内部主要结构为一个双向的Moore形状态机，其主要代码如下：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity zhuangtai is port（ en,clk,rst,mode,ctrl: in std_logic;
——EN为使能信号，RST为复位信号，MODE为电机运转模式信号，CTRL为正反转控制信号，这四个信号为电平有效； CLK为电机转速频率。
a,b,c,d: out std_logic）;
——A，B，C，D为步进电机四个相位的通电信号。
end zhuangtai;
architecture zt1 of zhuangtai is
type states is（statex,state0,state1,state2,state3,state4,state5,state6,state7）;
——state0-state7 为步进电机通电的不同状态，statex为不通电状态。
signal ste:states;
signal q:std_logic_vector（3 downto 0）;
——Q为四个相位的输出信号，A，B，C，D分别对应为Q的3，2，1，0位。
步进电机可工作在四拍、八拍通电状态，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用八拍通电顺序，即A-AB-B-BC-C-CD-DA-A这种导电状态，状态转换顺序如图3所示。

图3 状态转换顺序

该状态机的工作方式为：当转速时钟clk-step的上升沿到来，且EN为高电平的时候，状态机根据不同的MODE和CTRL的值在statex，state0-state7之间转换，最后根据当前状态ste的值对信号q进行赋值，再将q的高低位分别赋值给电机的线圈通电信号A，B，C，D。

begin
moore: process （clk, rst）
begin
if rst=‘1‘ then ——如果复位信号为高电平，则复位有效
ste <= statex;
elsif （clk‘event and clk=‘1‘） then
if en=‘1‘ then ——使能为1，既允许工作的时候
case ste is
when statex =>
——判断完当前状态以后，先根据当前正反转的信号进入相应的判断语句，再对当前运转模式信号进行判断，判断完毕以后进入对应的下一个状态。

if ctrl=‘0‘ then
if mode=‘1‘ then
ste <= state0;
elsif ctrl=‘1‘ then
if mode=‘1‘ then
ste <= state6; …

5、结论

系统功能仿真如图4，图5所示。图中各信号定义为：clk：12M时钟信号，clk_step：步进电机转速时钟信号；EN：按键使能信号，RST：按键复位信号，MODE：按键运转模式信号，CTRL：按键运转方向信号。当MODE=1、CTRL=0时，电机工作在正向、八拍导通状态；当MODE=1、CTRL=1时，电机工作在反向、八拍导通状态；也可以控制电机工作在四拍导通方式下，此时MODE=0。A、B、C、D为步进电机四相线圈通电信号。

图4 运转模式功能仿真

图5 正反转控制功能仿真