裝入CPLD/FPGA的步進電機運動控制器與驅(qū)動器

本設計實例進一步拓展了以前將步進電機驅(qū)動器集成到CPLD中的設計（參考文獻1）。本實例不僅集成了驅(qū)動器，而且還集成了一個簡單的單軸步進電機運動控制器。根據(jù)CPLD大小，可以將多個運動控制器設計到單一設備中。例如，單軸運動控制器采用68%或63%的可用宏單元設計到Xilinx XC95108中。運動控制器以確定的速度與時間曲線順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)步進電機指定的步數(shù)。運動開始時，控制器對電機加速，直到其達到巡航速度，然后減速直到停止（圖1）。

控制器可將電機速度調(diào)節(jié)到16 個值，V=VMAX×speed/16, 其中速度值為0到16的整數(shù)。在加速階段，速度從1到16升高，在巡航階段，速度保持在16，最后，在減速階段，速度下降到1，直到停止?？刂破髟谶_到巡航速度階段前如果沒有足夠的步數(shù)，控制器可直接從加速階段進入減速階段。在程序中利用恒定“加速”功能可以在1到255間調(diào)節(jié)加速/減速速度。較大值的加速會造成緩慢的加速/減速；低值就會得到較快的加速/減速。該CPLD步進電機驅(qū)動器的輸入包括時鐘、方向、完全/半步長、復位、下一步、啟動和停止等。

時鐘輸入工作在正向時鐘脈沖邊沿上。最大電機速度為16 個時鐘一步。方向輸入確定了電機的旋轉(zhuǎn)方向。電機順時針或逆時針方向運行，取決于該輸入的大小和電機的連接方式。該值在開始向高運行后的第一上升時鐘邊沿鎖定。完全步長或半步長輸入決定了電機在每個時鐘脈沖內(nèi)的角旋轉(zhuǎn)。在低態(tài)時，電機在每個應用的時鐘脈沖內(nèi)執(zhí)行完全步長，在高態(tài)時則需要執(zhí)行半步長。在復位輸入時較大的電流可將電機設定為已定義好的狀態(tài)。在復位輸入較大時，電機可忽略任何時鐘脈沖。16位的Nstep值定義了下一運動將要執(zhí)行的步數(shù)。該值在開始向高運行后的第一上升時鐘邊沿鎖定。開始輸入較高的電流可啟動運動。較大的停止輸入電流可停止運動，從而退出當前的運動。

該CPLD步進電機驅(qū)動器的輸出為A、A_N、B和B_N（圖2）。A 和A_N 通過電源驅(qū)動器輸出控制一個電機線圈，B和B_N輸出通過電源驅(qū)動器控制電機的第二線圈。

CPLD/FPGA無法直接驅(qū)動電機，所以需要外部驅(qū)動器。驅(qū)動器必須達到電機的額定電壓。每個驅(qū)動器輸出端的肖特基整流二極管允許在電機線圈中的電流續(xù)流。如果使用MOSFET驅(qū)動器，由于MOSFET有內(nèi)置的二極管，就不需要外部肖特基整流二極管了。Microchip TC4424A 雙驅(qū)動器可以驅(qū)動電機線圈達到18V和3A。