盐城工学院本科生毕业设计说明书（2007）
(a) 三相六拍正转
(b) 三相六拍反转
（c）双三拍正转
(d) 双三拍反转 图3-9 脉冲分配仿真波形图
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基于CPLD的多功能脉冲分配器系统的设计
3.2.5 整个脉冲分配器芯片的顶层实体实现
根据前面对步进电机脉冲分配器的端口功能描述，分频器的脉冲分频功能及状态机脉冲分配功能的实现。把系统分为2个模块：?分频器，它将输入脉冲信号CP分成八种频率，并通过a1、a2、a3的设定选择某一种频率输出。?状态机，它根据EX、MODE、DIR的选择，控制步进电机按照规定模式运行。分频模块输出的时钟信号CLK_OUT作为状态机分配脉冲的输入时钟信号。 两个模块之间的连接关系如图3-10所示。
图3-10 芯片的模块划分图
根据上述功能的划分，下面需完成芯片的顶层实体top_level的VHDL的实现。顶层文件程序清单见附录1。 3.3 设计综合输出
最后通过ispDesignExpert Navigator软件将设计中的输入输出引脚定义到可编程逻辑器件XC9572的具体输入输出引脚上，完成设计的功能实现。生成的资源使用情况如表3-3所示。
表3-3 生成的资源使用情况表
宏单元使用率 乘积项使用率 寄存器使用率 管脚使用率 功能块输入率 23/72 （32%） 75/360 （21%） 14/72 （19%） 11/34 （32%） 31/144 （22%）
4放大电路选用
步进电机的驱动有多种方式，这里选择转矩特性好，电路工作稳定，成本低的斩波恒流驱动方法。
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图4-1 斩波驱动电路原理图
斩波驱动电路的原理图如图4-1所示。它的工作原理是：脉冲分配器输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VT1、VT2导通，由于U1电压较高，绕组L回路又没串联电阻，所以绕组中的电流i迅速上升，当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VT1截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降至额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流，所以斩波电路也称斩波恒流驱动电路。锯齿波的频率可通过调整采样电阻Re和整形电路的电位器来调整。锯齿状绕组电流波形如图4-2所示。
图4-2 锯齿状电流波形图
该电路的采样电阻Re很小（一般为0.2Ω左右），能使系统的功耗下降很小，相应地就提高了效率。同时由于采样电阻Re的反馈作用，使绕组中的电流可以恒定在额定的数值上，而且不随步进电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内，步进电动机都能输出恒定的转矩。
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5步进电机的选用
步进电机的品种规格很多，而应用最广泛的、适用性最强的是磁阻式步进电机。磁阻式步进电机能够简单地做到高精度定位控制，而且加速性能优越,可做到瞬时起动、停止、正反转等快速的定位动作。同时在停止状态下(无脉冲波信号输入时)，仍具有激磁保持力，可以不依靠机械式的刹车，就能做到停止位置的保持。这里把磁阻式步进电机选为应用步进电机。 5.1 磁阻式步进电机的工作原理
尽管步进电机的内部几何形状不完全相同，但不管是励磁式或反应式步进电机，其工作原理都是基于电磁力的吸引和排斥产生转矩，与同步电机原理一致，总能以其中的一种来描述其特性。
图5-1 磁阻式步进电机的工作原理示意图
图5-1是说明磁阻式步进电机工作原理的示意图。它的定子上有六个极，转子有四个极。定子磁极上有三相绕组，每组绕组由相互串联的两个线圈构成。一组绕组叫做一相。因此图5-1所示的电机为三相步进电机，直流电源通过开关I、II和III，驱动绕在定子上的通电绕组。状态（1），开关I闭合，A相通电。由于A相绕组受到激磁，空隙里出现如箭头所示的磁场。A相上的两个定子磁极与两个转子齿
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对准，转子处于平衡状态。若再闭合开关II激磁B相，如状态（2）所示，B相的定子磁极以相同的方式产生磁场，在磁力线的张力作用下，产生逆时针方向的转矩。于是，转子沿着逆时针方向转过一个固定的角度，到达状态（3）。图中，转过的角度为15?。如果现在打开开关I，去掉A相的激磁，转子将再转过15?，到达状态（4）。因此转子的角位置可以用这种开关方式进行控制。若开关以某种时序转换，则转子就能以步进运动的方式连续旋转；若进一步使时序转换的速度可调，则平均速度也能用这种开关方式进行控制。
实际上，磁阻式步进电机的开关是晶体管，开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到，磁阻式步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构。与能够实现类似功能的其他部件相比，使用磁阻式步进电机的控制系统有下面几个明显的优点：
（1）通常不需要反馈就能对位置或速度进行控制。 （2）位置误差不会累积。 （3）与数字设备兼容。
5.2 磁阻式步进电机按设计要求的工作方式
图5-2 A相通电定转子对齐情况
下面以三相磁阻式步进电机为例介绍一下磁阻式步进电机的工作方式。图5-2是国内常见的三相磁阻式步进电机的剖析图。电机定子的每两个相对的极组成一相，极上绕组反向串联，以此形成N-S极。电机的转子周围上均布40个小齿，故其齿距角?z?360?/40?9?。 5.2.1 三相六拍工作
最初以A相通电，转子齿与A相定子齿对齐，磁路如图5-3（a）所示。第二拍，
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