Управление шаговым электродвигателем с помощью ПЛИС

Современные шаговые двигатели являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным их пуском. К несомненным преимуществам ШД можно отнести простоту конструкции; возможность управляемого перемещения вала якоря; отсутствие необходимости запитки ротора. Из-за простоты и удобства в использовании такие двигатели находят широкое применение в электронных устройствах с вращающимися частями, в качестве безынерционного и точного привода.

Подобные двигатели незаменимы при конструировании точных устройств позиционирования в станках с ЧПУ, автомобильных приборах, в принтерах, а также в электроприводах дисководов компьютеров для позиционирования магнитной головки (в устройствах чтения гибких дисков при использовании импульсного способа управления). Особенностью работы двигателя в таких электроприводах является то, что его вал поворачивается на угол, кратный 1,8° или 3,6° в зависимости от количества импульсов, поданных на входы электронных ключей, коммутирующих обмотки. При шаге угла поворота 1,8° требуется двести шагов для полного оборота вала двигателя.

Шаговый двигатель в устройствах чтения гибких дисков вращается небольшими последовательностями импульсов. При этом головки чтения-записи перемещаются в нужное положение отдельными шагами. К несущему валу ШД присоединены постоянные магниты. При пропускании электрического тока через одну или несколько электрических катушек, окружающих двигатель, создается магнитное поле, взаимодействующее с постоянным магнитом на валу. Последовательное включение и выключение электропитания катушек заставляет двигатель вращаться, перемещая головки чтения-записи.

Многие ШД имеют на статоре по две, сдвинутые относительно друг друга многополюсные обмотки, каждая из них со средним выводом. Последние обычно соединяют с плюсом источника питания, а остальные выводы в определенной последовательности — с минусом. Для таких двигателей с шестью выводами из-за необходимости подвода двухполяр-ного питания несколько усложняется схема устройства управления. Если обмотки ШД дисководов имеют пять выводов, то отпадает необходимость использовать двухполярный источник питания. При разработке импульсной схемы управления в качестве объекта управления выбран ШД дисковода модели FD-55GFR, имеющий пять выводов [1].

Одним из вариантов создания импульсного устройства управления ШД является разработка его на базе ПЛИС. На рис.1 представлена принципиальная электрическая схема управления ШД дисковода на основе ПЛИС класса CPLD фирмы Altera. Микросхемы этого класса обладают простотой реализации разработанного устройства, малыми издержками на проектирование и независимо от питания сохраняют свою конфигурацию. Требуемая структура управляющего устройства создается путем программирования связей коммутирующих матриц (макроячеек) с использованием технологий перепрограммируемых ПЗУ.

Функциональная схема блоков, находящихся внутри ПЛИС, показана на рис. 2. Используемые при разработке схемы узлы — библиотечные. Символы модуля CPLD созданы разработчиком.

При проектировании устройства управления ШД дисковода использовалась САПР MAX+PLUSII [2,3], позволяющая реализовать схему на базе ПЛИС фирмы Altera и обеспечивающая синтез структуры и трассировку внутренних связей ПЛИС, подготовку данных для программирования и конфигурирования ПЛИС, функциональное моделирование и временной анализ, а также программирование и конфигурирование ПЛИС.

Модуль CPLD состоит из созданных символов: D-триггеров DFF с входами подачи тактового сигнала, асинхронной установки и асинхронного сброса; мультиплексора muxm с информационными входами, а также с входами разрешения работы и подачи тактового сигнала (рис. 3).

Устройство (рис. 1) управляет шаговым двигателем, заставляя его ротор вращаться в одну или другую сторону. Реверсивное управление задается логическим уровнем сигналов FF и FB. Частота импульсов соответственно шагам задается элементами R1, R2, C1 (сигнал CLK). Скорость вращения электродвигателя М определяется частотой импульсов. Каждый импульс генератора (микросхема DD1 К155ЛА3) поворачивает ротор на один шаг. За основу ПЛИС выбрано устройство EPM7032LC44-6 семейства MAX7000.

Обмотки фаз ШД являются нагрузками ключей. Для коммутации обмоток двигателя используются транзисторные ключи с открытым коллектором, входящие в состав микросхемы DD3 ULN2004A [4]. Микросхема состоит из семи транзисторных пар с высоковольтными выходами, с общим катодным соединением диодов для переключения индуктивной нагрузки. Выходной ток каждой транзисторной пары составляет до 500 мА, выходное напряжение — до 100 В. Мощность электродвигателя М ограничена максимальным током через один ключ и суммарной мощностью, рассеиваемой микросхемой DD3. Все выводы микросхемы снабжены внутренними защитными диодами, то есть каждая полуобмотка ШД зашунтирована диодом, что устраняет коммутационные выбросы напряжения. Транзисторные ключи DD3 обеспечивают усиление сигналов и защиту выводов ПЛИС от возможного проникновения напряжения питания двигателя Vc1.

На листинге приведено программное Verilog-описание ПЛИС для схемы, представленной на рис. 2.

В рис. 4 а, б показаны фрагменты файлов с результатами функционального моделирования разработанного устройства в зависимости от заданных состояний входов. Результаты моделирования подтверждают работоспособность схемы управления шаговым двигателем дисковода на базе ПЛИС.

Разработанная схема с небольшими изменениями (с учетом специфики) может быть использована в многообразных по назначениям устройствах безинерционных и точных приводов в робототехнике, в радиоэлектронной промышленности, медицине, управлении гравировкой и так далее.