【文章內(nèi)容簡介】 空比為50%的分頻器，第二種方案可以有限度的調(diào)整占空比。實現(xiàn)奇數(shù)分頻相對難一些，欲實現(xiàn)占空比為1：1的2N+1分頻器，則需要對分頻時鐘的上升沿和下降沿分別進行分頻，然后將兩個分頻所得的時鐘信號相或得到占空比為1：1的2N+1分頻器。特別需要指出的是，奇數(shù)1分頻其實沒有涉及頻率的分頻，可以把原來的輸入脈沖信號無需分頻就可作為輸出脈沖信號直接輸出。 根據(jù)以上分析，編寫分頻器的VHDL程序代碼。分頻程序由奇數(shù)分頻部分、偶數(shù)分頻部分和整體輸出部分組成。分頻程序清單見附錄2。具體的分頻結(jié)果仿真波形圖如圖37所示。(a) 一分頻波形圖(b) 二分頻波形圖(c) 三分頻波形圖(d) 四分頻波形圖(e) 五分頻波形圖(f) 六分頻波形圖(g) 七分頻波形圖 (h) 八分頻波形圖圖37 分頻結(jié)果仿真波形圖 脈沖分配狀態(tài)機的設計和波形仿真 利用VHDL設計的實用邏輯系統(tǒng)中，有許多是可以利用有限狀態(tài)機的設計方案來描述和實現(xiàn)的。與基于VHDL的其它設計方案相比，狀態(tài)機具有其突出的優(yōu)越性，它的主要表現(xiàn)有以下幾方面： （1）狀態(tài)機克服了純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點。狀態(tài)機的工作方式是根據(jù)控制信號按照預先設定的狀態(tài)進行順序運行的，狀態(tài)機是純硬件數(shù)字系統(tǒng)中的順序控制電路，因此狀態(tài)機在運行速度和工作可靠性方面十分突出。 （2）由于狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)模式相對簡單，設計方案相對固定，特別是可以定義符號化枚舉類型的狀態(tài)，這一切都為VHDL綜合器盡可能發(fā)揮其強大的優(yōu)化功能提供了有利條件。而且，性能良好的綜合器都具備許多可控或自動的優(yōu)化狀態(tài)機的功能。 （3）狀態(tài)機容易構(gòu)成性能良好的同步時序邏輯模塊，這對于對付大規(guī)模邏輯電路設計中令人深感棘手的競爭冒險現(xiàn)象無疑是一個上佳的選擇。為了消除毛刺現(xiàn)象，在狀態(tài)機設計中有許多設計方案可供選擇。 （4）與VHDL的其它描述方式相比，狀態(tài)機的VHDL表述豐富多樣，程序?qū)哟畏置?、結(jié)構(gòu)清晰、易讀易懂；在排錯、修改和模塊移植方面也有其獨到的好處。 （5）在高速運算和控制方面，狀態(tài)機更有巨大的優(yōu)勢。由于在VHDL中，一個狀態(tài)機可以由多個進程構(gòu)成，一個結(jié)構(gòu)體中可以包含多個狀態(tài)機，而一個單獨的狀態(tài)機（或多個并行運行的狀態(tài)機）以順序方式所能完成的運算和控制方面的工作量本身就大。 （6）就可靠性而言，狀態(tài)機的優(yōu)勢也是十分明顯的。首先狀態(tài)機是由純硬件電路構(gòu)成，它的運行不依賴軟件指令的逐條執(zhí)行，因此不存在軟件運行過程中許多固有的缺陷；其次是狀態(tài)機的設計能使用各種完整的容錯技術；再次是當狀態(tài)機進入非法狀態(tài)并從中跳出，進入正常狀態(tài)所耗的時間十分短暫，通常只有兩三個時鐘周期，約十納秒，尚不足以對系統(tǒng)的運行構(gòu)成損害。在實用的邏輯系統(tǒng)中,一個完整的狀態(tài)機設計過程包含幾個步驟:（1）確定任務和分析功能。首先要對實際應用問題進行分析和歸納，以明確控制系統(tǒng)的任務以及要實現(xiàn)的功能。（2）把設計任務按邏輯要求轉(zhuǎn)化為狀態(tài)圖。即確定所采用的狀態(tài)機的每一個狀態(tài)，以及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換條件。（3）根據(jù)狀態(tài)圖（或把狀態(tài)圖轉(zhuǎn)化為狀態(tài)表，并對狀態(tài)圖和狀態(tài)表進行必要的簡化處理），設計狀態(tài)機的源程序。（4）編輯程序，完成編譯仿真。脈沖分配事實上就可以用一個復雜的狀態(tài)機來描述和實現(xiàn)。根據(jù)步進電機的工作方式，畫出的脈沖分配狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖38所示。圖38 脈沖分配的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖中共有7個狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換條件是模式信號MODE和方向選擇信號DIR合成的矢量；STATE0是復位態(tài)，當EX=0時，系統(tǒng)復位，OUTA、OUTB、OUTC輸出低電平；其它六個狀態(tài)對應三相六拍的六個狀態(tài)（雙三拍的三個狀態(tài)包含在六個狀態(tài)中），如STATE_BC表示在BC拍，OUTB、OUTC輸出高電平，OUTA輸出低電平。從圖36可以看出，在某個模式下，當DIR有效時，狀態(tài)機轉(zhuǎn)移到相應模式下的環(huán)行脈沖序列的下一狀態(tài)。如在三相六拍的STATE_BC狀態(tài)時，如果模式改變（即MODE=‘1’，為雙三拍模式），則當DIR=0時，Trans_value=10，此時轉(zhuǎn)移到STATE_AC，而如果DIR=1，則Trans_value=11，狀態(tài)機轉(zhuǎn)移到STATE_AB。把狀態(tài)圖轉(zhuǎn)化為狀態(tài)表，可以分成四種不同模式的狀態(tài)表。表32 脈沖分配的狀態(tài)表(a) 三相六拍模式輸入輸出CPEXMODEDIROUTAOUTBOUTCX1XX000↑000100↑000110↑000010↑000011↑000001↑000101續(xù)：表32(b) 三相六拍反轉(zhuǎn)模式輸入輸出CPEXMODEDIROUTAOUTBOUTCX1XX000↑001100↑001101↑001001↑001011↑001010↑001110(c) 雙三拍正轉(zhuǎn)模式輸入輸出CPEXMODEDIROUTAOUTBOUTCX1XX000↑010110↑010011↑010101(d) 雙三拍反轉(zhuǎn)模式輸入輸出CPEXMODEDIROUTAOUTBOUTCX1XX000↑011110↑011101↑011011根據(jù)以上分析，編寫脈沖分配狀態(tài)機的VHDL程序代碼。脈沖分配程序根據(jù)轉(zhuǎn)換條件（模式信號MODE和方向選擇信號DIR合成的矢量），實現(xiàn)7個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，并且各個狀態(tài)有各自不同的輸出。脈沖分配程序清單見附錄3。具體的脈沖分配仿真波形圖如圖39所示。(a) 三相六拍正轉(zhuǎn)(b) 三相六拍反轉(zhuǎn)（c）雙三拍正轉(zhuǎn)(d) 雙三拍反轉(zhuǎn)圖39 脈沖分配仿真波形圖 整個脈沖分配器芯片的頂層實體實現(xiàn) 根據(jù)前面對步進電機脈沖分配器的端口功能描述，分頻器的脈沖分頻功能及狀態(tài)機脈沖分配功能的實現(xiàn)。把系統(tǒng)分為2個模塊：?分頻器，它將輸入脈沖信號CP分成八種頻率，并通過aaa3的設定選擇某一種頻率輸出。?狀態(tài)機，它根據(jù)EX、MODE、DIR的選擇，控制步進電機按照規(guī)定模式運行。分頻模塊輸出的時鐘信號CLK_OUT作為狀態(tài)機分配脈沖的輸入時鐘信號。 兩個模塊之間的連接關系如圖310所示。 圖310 芯片的模塊劃分圖 根據(jù)上述功能的劃分，下面需完成芯片的頂層實體top_level的VHDL的實現(xiàn)。頂層文件程序清單見附錄1。 設計綜合輸出最后通過ispDesignExpert Navigator軟件將設計中的輸入輸出引腳定義到可編程邏輯器件XC9572的具體輸入輸出引腳上，完成設計的功能實現(xiàn)。生成的資源使用情況如表33所示。表33 生成的資源使用情況表宏單元使用率乘積項使用率寄存器使用率管腳使用率功能塊輸入率23/72 （32%）75/360 （21%）14/72 （19%）11/34 （32%）31/144 （22%）4放大電路選用步進電機的驅(qū)動有多種方式，這里選擇轉(zhuǎn)矩特性好，電路工作穩(wěn)定，成本低的斬波恒流驅(qū)動方法。圖41 斬波驅(qū)動電路原理圖斬波驅(qū)動電路的原理圖如圖41所示。它的工作原理是：脈沖分配器輸出的脈沖作為輸入信號，若為正脈沖，則VTVT2導通，由于U1電壓較高，繞組L回路又沒串聯(lián)電阻，所以繞組中的電流i迅速上升，當繞組中的電流上升到額定值以上某個數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1的基極，使VT1截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降至額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導通，電流又上升。如此反復進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流，所以斬波電路也稱斬波恒流驅(qū)動電路。鋸齒波的頻率可通過調(diào)整采樣電阻Re和整形電路的電位器來調(diào)整。鋸齒狀繞組電流波形如圖42所示。圖42 鋸齒狀電流波形圖該電路的采樣電阻Re很?。ǎ?，能使系統(tǒng)的功耗下降很小，相應地就提高了效率。同時由于采樣電阻Re的反饋作用，使繞組中的電流可以恒定在額定的數(shù)值上，而且不隨步進電動機的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)，步進電動機都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。5步進電機的選用 步進電機的品種規(guī)格很多，而應用最廣泛的、適用性最強的是磁阻式步進電機。磁阻式步進電機能夠簡單地做到高精度定位控制，而且加速性能優(yōu)越,可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)等快速的定位動作。同時在停止狀態(tài)下(無脈沖波信號輸入時)，仍具有激磁保持力，可以不依靠機械式的剎車，就能做到停止位置的保持。這里把磁阻式步進電機選為應用步進電機。 磁阻式步進電機的工作原理盡管步進電機的內(nèi)部幾何形狀不完全相同，但不管是勵磁式或反應式步進電機，其工作原理都是基于電磁力的吸引和排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，與同步電機原理一致，總能以其中的一種來描述其特性。圖51 磁阻式步進電機的工作原理示意圖圖51是說明磁阻式步進電機工作原理的示意圖。它的定子上有六個極，轉(zhuǎn)子有四個極。定子磁極上有三相繞組，每組繞組由相互串聯(lián)的兩個線圈構(gòu)成。一組繞組叫做一相。因此圖51所示的電機為三相步進電機，直流電源通過開關I、II和III，驅(qū)動繞在定子上的通電繞組。狀態(tài)（1），開關I閉合，A相通電。由于A相繞組受到激磁，空隙里出現(xiàn)如箭頭所示的磁場。A相上的兩個定子磁極與兩個轉(zhuǎn)子齒對準，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。若再閉合開關II激磁B相，如狀態(tài)（2）所示，B相的定子磁極以相同的方式產(chǎn)生磁場，在磁力線的張力作用下，產(chǎn)生逆時針方向的轉(zhuǎn)矩。于是，轉(zhuǎn)子沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過一個固定的角度，到達狀態(tài)（3）。圖中，轉(zhuǎn)過的角度為。如果現(xiàn)在打開開關I，去掉A相的激磁，轉(zhuǎn)子將再轉(zhuǎn)過，到達狀態(tài)（4）。因此轉(zhuǎn)子的角位置可以用這種開關方式進行控制。若開關以某種時序轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)子就能以步進運動的方式連續(xù)旋轉(zhuǎn)；若進一步使時序轉(zhuǎn)換的速度可調(diào)，則平均速度也能用這種開關方式進行控制。實際上，磁阻式步進電機的開關是晶體管，開關信號由數(shù)字集成電路或微機產(chǎn)生。通過前面的介紹可以看到，磁阻式步進電機是一種把開關激勵的變化變換成精確的轉(zhuǎn)子位置增量運動的執(zhí)行機構(gòu)。與能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能的其他部件相比，使用磁阻式步進電機的控制系統(tǒng)有下面幾個明顯的優(yōu)點：（1）通常不需要反饋就能對位置或速度進行控制。（2）位置誤差不會累積。（3）與數(shù)字設備兼容。 磁阻式步進電機按設計要求的工作方式 圖52 A相通電定轉(zhuǎn)子對齊情況下面以三相磁阻式步進電機為例介紹一下磁阻式步進電機的工作方式。圖52是國內(nèi)常見的三相磁阻式步進電機的剖析圖。電機定子的每兩個相對的極組成一相，極上繞組反向串聯(lián)，以此形成NS極。電機的轉(zhuǎn)子周圍上均布40個小齒，故其齒距角。 三相六拍工作最初以A相通電，轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對齊，磁路如圖53（a）所示。第二拍，A相繼續(xù)通電，同時接通B相。由A、B兩相各自建立的磁場合成以為軸線的合成磁場，其磁路分布如圖53（b）所示。這時，轉(zhuǎn)子齒既不對準A相，也不對準B相，而是對準A、B兩極軸線的角等分線，使轉(zhuǎn)子齒相對于定子齒轉(zhuǎn)過1/6齒距，即。第三拍，A相切斷，僅B相保持接通。這時，由B相建立的磁場與單三拍時B相通電的情況一樣，磁路分布如圖53（c）所示。轉(zhuǎn)子齒相對于A相定子齒轉(zhuǎn)過了。同理，第四拍保持B相通電，再接通C相，…。繞組勵磁以A—AB—B—BC—C—CA—A時序（或反時序）轉(zhuǎn)換6次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進一個齒矩，每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，故這種通電方式稱為三相六拍工作方式。圖53 六拍分配方式的磁場圖 雙三拍工作這種工作方式每次都有兩相導通，兩相繞組處在相同電壓之下，以AB—BC—CA—AB（或反之）方式通電，故稱為雙三拍工作方式。以這種方式通電，轉(zhuǎn)子齒所處的位置相當于六拍控制方式中去掉單三拍后的三個位置，具體磁路見圖53（b）、（d）和（f）。它的步距角計算公式與單三拍時的公式相同。由上述分析可知，要使磁阻式步進電機具有工作能力，最起碼的條件是定子極分度角不能被齒距角整除，且應滿足下列方程： 極分度角/齒距角= （51）進一步簡化得齒數(shù) Z: （52）式中：m相數(shù)； q每相的極數(shù)； k（m1）的正整數(shù)； R正整數(shù)，為0、3 …；按選定的相數(shù)和不同的極數(shù)，由上式（52）就可推算出轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 6 結(jié) 束 語設計的脈沖分配器可以控制三相步進電機。通過MODE可以選擇三相六拍和雙三拍不同的工作方式；改變DIR控制的高低電平，使步進電機能夠改變正、反轉(zhuǎn)；同時可以根據(jù)分頻器的三個控制端aa2和a3的不同組合，選擇相應的輸出頻率脈沖來控制電機的不同轉(zhuǎn)速。不同的模式選擇可以適應不同的場合需要。由于采用了可編程邏輯器件和VHDL語言，而CPLD芯片可以重復擦寫，因此只需稍微改動程序，在無需改變電路的結(jié)構(gòu)情況下就可以方便地構(gòu)成四相、五相等各種步進電機的脈沖