芻議EDA技術下的步進電機控制電路設計

王書禮

摘要 步進電機控制電路設計目標是為了有效控制電機脈沖頻率，因此，有關單位與設計人員應當優化電路設計方案。下文中，筆者針對脈沖頻率控制電路設計過程中應當注意的要點與事項進行分析，同時將累加變頻的DDS數字合成頻率技術應用到電機控制電路方案中，保證電路中的脈沖頻率能夠線性增減，從而確保頻率的可控性。DOS數字合成頻率技術為電機控制電路設計創造了便利條件，并輔助VHDL邏輯語言應用，經過實踐證明，有效提升了步進電機控制電路的運作效果。

關鍵詞 DOS數字合成頻率技術；步進電機控制電路設計；EDA；VHDL邏輯語言應用

步進電機控制電路是機電一體化產品的核心零部件和不可缺少的重要組成部分，因此被普遍適用于機械精密加工與制造、電機自動化控制等產業領域中。當國際信息傳播技術、計算機軟件應用技術不斷突破創新，各國對步進電機控制電路的使用需求日益強烈，當前普遍使用的步進電機類型繁多，例如單相式步進電機、混合式步進電機、永磁式步進電機和反應式步進電機等等。其中，最后一種類型的步進電機多使用軟磁原材料制成，并使用了勵磁繞組，被廣泛使用于各生產領域中。

1.步進電機控制電路的減速、增速設計要點

與普通電機控制電路相區別，步進電機控制電路使用脈沖作為電路控制信號，并將數字控制技術與電路設計方案結合起來，摒棄了以往步進電機多選擇了專業接口芯片、多用單片機的設計方法。采用脈沖作為控制信號的步進電機電路系統能夠在極短時間內，提升電路的運行效率，但同時存在應變能力薄弱、容易遭受外界環境干擾等問題。下文中，筆者將闡述應用了EDA技術后的步進電機控制電路設計策略，分析其中的優勢與設計要點。

現階段，我國步進電機控制電路的設計方案類型眾多，包括拋物線法、指數法、梯形圖法等等。本次設計案例選擇了梯形設計思路（具體參考圖1）。從梯形設計分析圖例中，我們可以看到電路脈沖信號的線性增速、線性減速、勻速不變等3個過程階段，通過不同階段中脈沖信號的不同傳播特點，能夠實現步進電機傳播頻率的勻速減速、勻速增速，確保慣性轉矩數值和負載轉矩數值的總和，始終低于電磁轉矩，防止步進電機發生跨步、失步等運轉失誤。從圖1中，我們可以看出步進電機控制電路的設計重點在于線性增速、線性減速這2個階段，為了有效控制脈沖信號變化頻率，最有效、簡便的設計策略是使用分頻手段，為了保證脈沖信號和頻率，二者同時實現線性變化，我們應當從中引入DDS數字合成變頻技術。

2.步進電機控制電路的DDS設計要點

所謂的DDS數字合成變頻技術可以理解為，采用數字化的頻率合成手段，使脈沖頻率、脈沖信號、相位能夠被有效控制。DDS數字合成變頻技術的運作原理為：利用相位增量累加的設計思路：在時鐘信號clk作用下，對相位增量寄存器輸出的相位增量作累加后寄存，相位累加寄存器取二進制n位，當累加值大等于2n時產生溢出，累加計算繼續運行，相位累加寄存器數值漸次排列，直到再次溢出。分析得出，數值溢出速度的塊面和相位增量構成正比關系，即：相位增量數值越高，溢出速度也相應越快。如果相位累加寄存器每溢出一次，讓溢出信號co求反一次，則可輸出脈沖，這個脈沖信號的頻率代表了溢出率，只要給相位增量寄存器不同的頻率控制字（相位增量），就可以在co獲得對應的不同頻率的脈沖信號，參考圖2。

3.步進電機控制電路的方向控制模塊設計要點

方向模塊設計的實現與仿真設計可以理解為，方向模塊具有兩個脈沖控制電路，分貝輸入PWIVI信號和變頻脈沖信號，前者將根據輸入PWM信號數值的不同，而改變脈沖分配器的四相輸出時間順序，從而帶動步進電機運作；后者根據輸入脈沖信號方向的不同，使得脈沖分配器產生的時序脈沖方向也有所不同，從而確定步進電機的運作方向。

根據四相八拍的控制方式，定子通電順序為（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A），因此本系統中采用了Mealy型狀態機描述方法，狀態取值依次是：SO=0001，S1=0011，S2=0010，S3=0110，S4=0100，S5=1100，S6=1000，S7=1001。-DAB-AB……。按控制時序的要求，用“1”表示該繞組加電，“0”表示該繞組斷電，參考圖3。

圖4為步進電機控制電路的方向控制模塊的仿真波形運作規律，當信號u和D分別為高電平時，狀態流程為相反方向，代表步進電機向著相反的方向運作。

4.結論

綜上所述，我們從步進電機的運作原理開始分析，介紹了當前國內主要適用的幾種部件電機控制電路類型，并從避免、預防步進電機跨步、失步等錯誤問題入手，探討了脈沖變頻線性增速、減速的電路控制方案。我們認為，使用DDS數字合成變頻技術，可以有效彌補之前步進電機設計方案的缺陷與不足，提升步進電機運作的運行速率，使得操作控制更為便捷智能化，全面提升了步進電機的運作效果。