【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)奇數(shù)分頻相對(duì)難一些，欲實(shí)現(xiàn)占空比為1：1的2N+1分頻器，則需要對(duì)分頻時(shí)鐘的上升沿和下降沿分別進(jìn)行分頻，然后將兩個(gè)分頻所得的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)沒(méi)有涉及頻率的分頻，可以把原來(lái)的輸入脈沖信號(hào)無(wú)需分頻就可作為輸出脈沖信號(hào)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(jiàn)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(jī)的設(shè)計(jì)和波形仿真 利用VHDL設(shè)計(jì)的實(shí)用邏輯系統(tǒng)中，有許多是可以利用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方案來(lái)描述和實(shí)現(xiàn)的。與基于VHDL的其它設(shè)計(jì)方案相比，狀態(tài)機(jī)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(jī)克服了純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點(diǎn)。狀態(tài)機(jī)的工作方式是根據(jù)控制信號(hào)按照預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進(jìn)行順序運(yùn)行的，狀態(tài)機(jī)是純硬件數(shù)字系統(tǒng)中的順序控制電路，因此狀態(tài)機(jī)在運(yùn)行速度和工作可靠性方面十分突出。 （2）由于狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方案相對(duì)固定，特別是可以定義符號(hào)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(qiáng)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(dòng)的優(yōu)化狀態(tài)機(jī)的功能。 （3）狀態(tài)機(jī)容易構(gòu)成性能良好的同步時(shí)序邏輯模塊，這對(duì)于對(duì)付大規(guī)模邏輯電路設(shè)計(jì)中令人深感棘手的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象無(wú)疑是一個(gè)上佳的選擇。為了消除毛刺現(xiàn)象，在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中有許多設(shè)計(jì)方案可供選擇。 （4）與VHDL的其它描述方式相比，狀態(tài)機(jī)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(cuò)、修改和模塊移植方面也有其獨(dú)到的好處。 （5）在高速運(yùn)算和控制方面，狀態(tài)機(jī)更有巨大的優(yōu)勢(shì)。由于在VHDL中，一個(gè)狀態(tài)機(jī)可以由多個(gè)進(jìn)程構(gòu)成，一個(gè)結(jié)構(gòu)體中可以包含多個(gè)狀態(tài)機(jī)，而一個(gè)單獨(dú)的狀態(tài)機(jī)（或多個(gè)并行運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)）以順序方式所能完成的運(yùn)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(jī)的優(yōu)勢(shì)也是十分明顯的。首先狀態(tài)機(jī)是由純硬件電路構(gòu)成，它的運(yùn)行不依賴軟件指令的逐條執(zhí)行，因此不存在軟件運(yùn)行過(guò)程中許多固有的缺陷；其次是狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)能使用各種完整的容錯(cuò)技術(shù)；再次是當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入非法狀態(tài)并從中跳出，進(jìn)入正常狀態(tài)所耗的時(shí)間十分短暫，通常只有兩三個(gè)時(shí)鐘周期，約十納秒，尚不足以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行構(gòu)成損害。在實(shí)用的邏輯系統(tǒng)中,一個(gè)完整的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程包含幾個(gè)步驟:（1）確定任務(wù)和分析功能。首先要對(duì)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行分析和歸納，以明確控制系統(tǒng)的任務(wù)以及要實(shí)現(xiàn)的功能。（2）把設(shè)計(jì)任務(wù)按邏輯要求轉(zhuǎn)化為狀態(tài)圖。即確定所采用的狀態(tài)機(jī)的每一個(gè)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(duì)狀態(tài)圖和狀態(tài)表進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理），設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的源程序。（4）編輯程序，完成編譯仿真。脈沖分配事實(shí)上就可以用一個(gè)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)來(lái)描述和實(shí)現(xiàn)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(gè)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換條件是模式信號(hào)MODE和方向選擇信號(hào)DIR合成的矢量；STATE0是復(fù)位態(tài)，當(dāng)EX=0時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，OUTA、OUTB、OUTC輸出低電平；其它六個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)三相六拍的六個(gè)狀態(tài)（雙三拍的三個(gè)狀態(tài)包含在六個(gè)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(gè)模式下，當(dāng)DIR有效時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)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(shí)，如果模式改變（即MODE=‘1’，為雙三拍模式），則當(dāng)DIR=0時(shí)，Trans_value=10，此時(shí)轉(zhuǎn)移到STATE_AC，而如果DIR=1，則Trans_value=11，狀態(tài)機(jī)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(jī)的VHDL程序代碼。脈沖分配程序根據(jù)轉(zhuǎn)換條件（模式信號(hào)MODE和方向選擇信號(hào)DIR合成的矢量），實(shí)現(xiàn)7個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，并且各個(gè)狀態(tài)有各自不同的輸出。脈沖分配程序清單見(jiàn)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(gè)脈沖分配器芯片的頂層實(shí)體實(shí)現(xiàn) 根據(jù)前面對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(jī)脈沖分配功能的實(shí)現(xiàn)。把系統(tǒng)分為2個(gè)模塊：?分頻器，它將輸入脈沖信號(hào)CP分成八種頻率，并通過(guò)aaa3的設(shè)定選擇某一種頻率輸出。?狀態(tài)機(jī)，它根據(jù)EX、MODE、DIR的選擇，控制步進(jìn)電機(jī)按照規(guī)定模式運(yùn)行。分頻模塊輸出的時(shí)鐘信號(hào)CLK_OUT作為狀態(tài)機(jī)分配脈沖的輸入時(shí)鐘信號(hào)。 兩個(gè)模塊之間的連接關(guān)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(shí)體top_level的VHDL的實(shí)現(xiàn)。頂層文件程序清單見(jiàn)附錄1。 設(shè)計(jì)綜合輸出最后通過(guò)ispDesignExpert Navigator軟件將設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的功能實(shí)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(xiàng)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)方法。圖41 斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖斬波驅(qū)動(dòng)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(hào)，若為正脈沖，則VTVT2導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組L回路又沒(méi)串聯(lián)電阻，所以繞組中的電流i迅速上升，當(dāng)繞組中的電流上升到額定值以上某個(gè)數(shù)值時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，?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(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，使整形電路無(wú)信號(hào)輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)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(dòng)電路。鋸齒波的頻率可通過(guò)調(diào)整采樣電阻Re和整形電路的電位器來(lái)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很小（），能使系統(tǒng)的功耗下降很小，相應(yīng)地就提高了效率。同時(shí)由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔茫估@組中的電流可以恒定在額定的數(shù)值上，而且不隨步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。5步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，而應(yīng)用最廣泛的、適用性最強(qiáng)的是磁阻式步進(jìn)電機(jī)。磁阻式步進(jìn)電機(jī)能夠簡(jiǎn)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(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)等快速的定位動(dòng)作。同時(shí)在停止?fàn)顟B(tài)下(無(wú)脈沖波信號(hào)輸入時(shí))，仍具有激磁保持力，可以不依靠機(jī)械式的剎車，就能做到停止位置的保持。這里把磁阻式步進(jìn)電機(jī)選為應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)。 磁阻式步進(jìn)電機(jī)的工作原理盡管步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部幾何形狀不完全相同，但不管是勵(lì)磁式或反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，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(jī)原理一致，總能以其中的一種來(lái)描述其特性。圖51 磁阻式步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖圖51是說(shuō)明磁阻式步進(jìn)電機(jī)工作原理的示意圖。它的定子上有六個(gè)極，轉(zhuǎn)子有四個(gè)極。定子磁極上有三相繞組，每組繞組由相互串聯(lián)的兩個(gè)線圈構(gòu)成。一組繞組叫做一相。因此圖51所示的電機(jī)為三相步進(jìn)電機(jī)，直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)I、II和III，驅(qū)動(dòng)繞在定子上的通電繞組。狀態(tài)（1），開(kāi)關(guān)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(chǎng)。A相上的兩個(gè)定子磁極與兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒對(duì)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。若再閉合開(kāi)關(guān)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(chǎng)，在磁力線的張力作用下，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩。于是，轉(zhuǎn)子沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，到達(dá)狀態(tài)（3）。圖中，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為。如果現(xiàn)在打開(kāi)開(kāi)關(guān)I，去掉A相的激磁，轉(zhuǎn)子將再轉(zhuǎn)過(guò)，到達(dá)狀態(tài)（4）。因此轉(zhuǎn)子的角位置可以用這種開(kāi)關(guān)方式進(jìn)行控制。若開(kāi)關(guān)以某種時(shí)序轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)子就能以步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的方式連續(xù)旋轉(zhuǎn)；若進(jìn)一步使時(shí)序轉(zhuǎn)換的速度可調(diào)，則平均速度也能用這種開(kāi)關(guān)方式進(jìn)行控制。實(shí)際上，磁阻式步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)關(guān)是晶體管，開(kāi)關(guān)信號(hào)由數(shù)字集成電路或微機(jī)產(chǎn)生。通過(guò)前面的介紹可以看到，磁阻式步進(jìn)電機(jī)是一種把開(kāi)關(guān)激勵(lì)的變化變換成精確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)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(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)有下面幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）通常不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制。（2）位置誤差不會(huì)累積。（3）與數(shù)字設(shè)備兼容。 磁阻式步進(jìn)電機(jī)按設(shè)計(jì)要求的工作方式 圖52 A相通電定轉(zhuǎn)子對(duì)齊情況下面以三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)為例介紹一下磁阻式步進(jìn)電機(jī)的工作方式。圖52是國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)的剖析圖。電機(jī)定子的每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的極組成一相，極上繞組反向串聯(lián)，以此形成NS極。電機(jī)的轉(zhuǎn)子周圍上均布40個(gè)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(duì)齊，磁路如圖53（a）所示。第二拍，A相繼續(xù)通電，同時(shí)接通B相。由A、B兩相各自建立的磁場(chǎng)合成以為軸線的合成磁場(chǎng)，其磁路分布如圖53（b）所示。這時(shí)，轉(zhuǎn)子齒既不對(duì)準(zhǔn)A相，也不對(duì)準(zhǔn)B相，而是對(duì)準(zhǔn)A、B兩極軸線的角等分線，使轉(zhuǎn)子齒相對(duì)于定子齒轉(zhuǎn)過(guò)1/6齒距，即。第三拍，A相切斷，僅B相保持接通。這時(shí)，由B相建立的磁場(chǎng)與單三拍時(shí)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(duì)于A相定子齒轉(zhuǎn)過(guò)了。同理，第四拍保持B相通電，再接通C相，…。繞組勵(lì)磁以A—AB—B—BC—C—CA—A時(shí)序（或反時(shí)序）轉(zhuǎn)換6次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒矩，每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，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(chǎng)圖 雙三拍工作這種工作方式每次都有兩相導(dǎo)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(dāng)于六拍控制方式中去掉單三拍后的三個(gè)位置，具體磁路見(jiàn)圖53（b）、（d）和（f）。它的步距角計(jì)算公式與單三拍時(shí)的公式相同。由上述分析可知，要使磁阻式步進(jìn)電機(jī)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(yīng)滿足下列方程： 極分度角/齒距角= （51）進(jìn)一步簡(jiǎn)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(yǔ)設(shè)計(jì)的脈沖分配器可以控制三相步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)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(jìn)電機(jī)能夠改變正、反轉(zhuǎn)；同時(shí)可以根據(jù)分頻器的三個(gè)控制端aa2和a3的不同組合，選擇相應(yīng)的輸出頻率脈沖來(lái)控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速。不同的模式選擇可以適應(yīng)不同的場(chǎng)合需要。由于采用了可編程邏輯器件和VHDL語(yǔ)言，而CPLD芯片可以重復(fù)擦寫，因此只需稍微改動(dòng)程序，在無(wú)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(jìn)電機(jī)的脈沖