基于CPLD的步进电机控制器设计.pdf

在现代自动化和工业控制系统中，步进电机由于其能够精确控制角度和速度的特性，被广泛应用于各种需要精确定位的场合，如数控机床、自动记录仪、工业机器人和无损检测等系统。然而，步进电机的性能很大程度上取决于其控制系统的质量。传统的步进电机控制器通常基于微控制器(MCU)或者专用集成电路(ASIC)，这些方法各有优势和局限性。随着可编程逻辑器件（如复杂可编程逻辑器件，CPLD）和硬件描述语言（HDL）技术的发展，基于CPLD的步进电机控制器设计得到了越来越多的关注。 CPLD具有I/O端口多、可自由编程定义其功能等特点，能够在减少外围元件使用的同时，提供较高的系统扩展性和可靠性。此外，CPLD的使用可以不占用CPU时间，这对于需要进行高速控制的应用场景尤其有利。通过使用VHDL语言进行编程，并且利用EDA设计软件进行编译、优化、综合、仿真和适配，可以实现对步进电机控制的精确和高效设计。 本设计中，系统设计方案如图所示，首先输入原始时钟信号，经过分频器得到10ms的按键判断周期和频率为2048Hz的时钟信号。然后，2048Hz信号经过外部硬件分频后输入CPLD芯片，作为电机的转速信号。由按键输入的四个控制信号，与电机的转速频率信号一起送入电机控制状态机。状态机根据不同的输入信号选择电机输出控制信号。 系统硬件设计采用了Altera公司的MAX7000系列的EPM7128SLC84-15型号CPLD。驱动电路原理图展示了如何将CPLD输出的控制信号连接至驱动芯片ULN2003A，并通过光电隔离后进入步进电机。步进电机的转速由四个线圈的通电速度决定，也就是由输入脉冲的频率决定。双四位二进制计数器74LS393N用于硬件分频，将CPLD的2048Hz频率分频，实现从0.5Hz到1024Hz、等比倍率为2的频率控制。 在软件设计方面，使用QuartusII软件进行系统的软件设计及仿真。QuartusII是Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境，它支持VHDL硬件描述语言。外部按键产生的控制脉冲信号（如复位、使能、模式、转向）经过消抖模块处理后送入主控制器。主控制器经过运算得出电机四个相位的通电信号，并通过D触发器消除信号中的毛刺后输出至电机。主控制器模块采用双向Moore型状态机设计。 整个系统具有良好的抗干扰能力，结构简单，成本低廉。利用CPLD技术可以实现系统的快速设计与调试，同时具有很好的扩展性和通用性。通过这种设计，步进电机控制器的性能得到了明显提高，而成本和复杂性却得到了有效控制。这对于推动步进电机控制技术在更广泛领域的应用具有重要的意义。