刍议EDA技术下的步进电机控制电路设计

摘要 步进电机控制电路设计目标是为了有效控制电机脉冲频率，因此，有关单位与设计人员应当优化电路设计方案。下文中，笔者针对脉冲频率控制电路设计过程中应当注意的要点与事项进行分析，同时将累加变频的DDS数字合成频率技术应用到电机控制电路方案中，保证电路中的脉冲频率能够线性增减，从而确保频率的可控性。DOS数字合成频率技术为电机控制电路设计创造了便利条件，并辅助VHDL逻辑语言应用，经过实践证明，有效提升了步进电机控制电路的运作效果。

关键词 DOS数字合成频率技术；步进电机控制电路设计；EDA；VHDL逻辑语言应用

步进电机控制电路是机电一体化产品的核心零部件和不可缺少的重要组成部分，因此被普遍适用于机械精密加工与制造、电机自动化控制等产业领域中。当国际信息传播技术、计算机软件应用技术不断突破创新，各国对步进电机控制电路的使用需求日益强烈，当前普遍使用的步进电机类型繁多，例如单相式步进电机、混合式步进电机、永磁式步进电机和反应式步进电机等等。其中，最后一种类型的步进电机多使用软磁原材料制成，并使用了励磁绕组，被广泛使用于各生产领域中。

1.步进电机控制电路的减速、增速设计要点

与普通电机控制电路相区别，步进电机控制电路使用脉冲作为电路控制信号，并将数字控制技术与电路设计方案结合起来，摒弃了以往步进电机多选择了专业接口芯片、多用单片机的设计方法。采用脉冲作为控制信号的步进电机电路系统能够在极短时间内，提升电路的运行效率，但同时存在应变能力薄弱、容易遭受外界环境干扰等问题。下文中，笔者将阐述应用了EDA技术后的步进电机控制电路设计策略，分析其中的优势与设计要点。

现阶段，我国步进电机控制电路的设计方案类型众多，包括抛物线法、指数法、梯形图法等等。本次设计案例选择了梯形设计思路（具体参考图1）。从梯形设计分析图例中，我们可以看到电路脉冲信号的线性增速、线性减速、匀速不变等3个过程阶段，通过不同阶段中脉冲信号的不同传播特点，能够实现步进电机传播频率的匀速减速、匀速增速，确保惯性转矩数值和负载转矩数值的总和，始终低于电磁转矩，防止步进电机发生跨步、失步等运转失误。从图1中，我们可以看出步进电机控制电路的设计重点在于线性增速、线性减速这2个阶段，为了有效控制脉冲信号变化频率，最有效、简便的设计策略是使用分频手段，为了保证脉冲信号和频率，二者同时实现线性变化，我们应当从中引入DDS数字合成变频技术。

2.步进电机控制电路的DDS设计要点

所谓的DDS数字合成变频技术可以理解为，采用数字化的频率合成手段，使脉冲频率、脉冲信号、相位能够被有效控制。DDS数字合成变频技术的运作原理为：利用相位增量累加的设计思路：在时钟信号clk作用下，对相位增量寄存器输出的相位增量作累加后寄存，相位累加寄存器取二进制n位，当累加值大等于2n时产生溢出，累加计算继续运行，相位累加寄存器数值渐次排列，直到再次溢出。分析得出，数值溢出速度的块面和相位增量构成正比关系，即：相位增量数值越高，溢出速度也相应越快。如果相位累加寄存器每溢出一次，让溢出信号co求反一次，则可输出脉冲，这个脉冲信号的频率代表了溢出率，只要给相位增量寄存器不同的频率控制字（相位增量），就可以在co获得对应的不同频率的脉冲信号，参考图2。

3.步进电机控制电路的方向控制模块设计要点

方向模块设计的实现与仿真设计可以理解为，方向模块具有两个脉冲控制电路，分贝输入PWIVI信号和变频脉冲信号，前者将根据输入PWM信号数值的不同，而改变脉冲分配器的四相输出时间顺序，从而带动步进电机运作；后者根据输入脉冲信号方向的不同，使得脉冲分配器产生的时序脉冲方向也有所不同，从而_定步进电机的运作方向。

根据四相八拍的控制方式，定子通电顺序为（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A），因此本系统中采用了Mealy型状态机描述方法，状态取值依次是：SO=0001，S1=0011，S2=0010，S3=0110，S4=0100，S5=1100，S6=1000，S7=1001。-DAB-AB……。按控制时序的要求，用“1”表示该绕组加电，“0”表示该绕组断电，参考图3。

图4为步进电机控制电路的方向控制模块的仿真波形运作规律，当信号u和D分别为高电平时，状态流程为相反方向，代表步进电机向着相反的方向运作。

4.结论

综上所述，我们从步进电机的运作原理开始分析，介绍了当前国内主要适用的几种部件电机控制电路类型，并从避免、预防步进电机跨步、失步等错误问题入手，探讨了脉冲变频线性增速、减速的电路控制方案。我们认为，使用DDS数字合成变频技术，可以有效弥补之前步进电机设计方案的缺陷与不足，提升步进电机运作的运行速率，使得操作控制更为便捷智能化，全面提升了步进电机的运作效果。