步进电机.docx

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1、摘要步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目地。FPGA技术正处于高速开展时期，由于其速度快，本钱也越来越低，受到广阔开发者得青睐。本设计采用高速集成硬件描述语言（VHDL）在Se）PC-NlOSln-EP3C80开

2、发板实现对步进电机控制器的设计，实现步进电机转动速度、固定角度等根本控制。关键词：步进电机；FPGA；VHDL语言目录1绪论12系统设计22.1 总体设计22.2 步进电机正反向步数数码管显示上下速控制模块错误!未定义书签。2.3 16*16点阵显示模块43程序流程设计错误!未定义书签。3.1 主体流程图53.2 16*16点阵显示流程图54总结5参考文献错误!未定义书签。附录A步进电机控制器设计程序错误!未定义书签。A.1正反向步数上下速控制模块错误!未定义书签。A.216*16点阵显示模块错误!未定义书签。附录B步进电机原理图错误!未定义书签。附录CFPGA管脚分配表错误!未定义书签。ED

3、A是电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation)的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念开展而来的。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件(如CPLD、FPGAJ的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方

4、便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速开展。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。本课程设计目的旨在使用Altera公司的EP3C80系列的FPGA芯片，利用SOPC-NIOSII-EP3C80开发板PS2键盘接口等资源，在QuartusII开发环境下，实现一个步进电机控制器，以到

5、达利用拨码开关实现转向选择、利用按键开关实现角度选择、利用4X4键盘阵列实现键盘实现速度的控制、利用16*16点阵显示实现速度级别的显示和利用8位动态七段码管显示实现速度的显示的目的。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC幅员或PCB幅员的整个过程的计算机上自动处理完成。VHDL是超高速集成电路硬件描述语言的缩写，它诞生于1982年，1987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，V

6、HDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体（可以是一个元件,一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视局部,及端口）和内部（或称不可视局部），既涉及实体的内部功能和算法完成局部。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外局部的概念是VHDL系统设计的根本点。与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设

7、计领域最正确的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。本文利用模块化思想将整个设计分为步进电机角度和方向控制模块、键盘扫描模块、16*16点阵显示模块、内部测速信号产生模块、计数器模块、锁存器模块和八位七段数码管显示模块，以到达对步进电机的控制和速度的显示。2.1 总体设计在本课程设计中要求设计步进电机的控制电路，掌握时钟作用下具有相位时序的产生，通过一个拨动开关来控制步进电机的顺时针和逆时针旋转；通过按键开关来控制步进电机旋转的角度。设计中采用模块化，用键盘扫描输出端作为数据总线来对整个程序控制，各模块共一个系统时钟，数字信号源模

8、块的时钟选择为IMHZ,PS2键盘采用是键盘内部的时钟。其总体设计如下列图2.1所示。FPGA16*16点阵显 示步进电机主程序图2.1系统总体设计2.2 步进电机主控制模块2.2.1 步进电机角度与显示和方向控制模块步进电机实际上是一个数据/角度转换器，如下列图2所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各项绕组按适宜的时序通电，就能使步进电机转动。下列图是该四相反响式步进电机工作原理示意图。图2.2步进电机原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A

9、相绕组磁极产生错齿。当开光SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿、以此类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，那么转子会沿着A、B、C、D方向转动运转速度的控制：假设改变ABCD四相绕组上下电平的宽度，就会导致通电和断电的变化速率变化，使电机转速改变，所以调节脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。旋转的角度控制：因为输入一个CP脉冲使步进电机四相绕组状态变化一次,并相应地旋转一个角度，所以步进电机旋转的角度由输入的CP脉冲数确定

10、。本实验箱所使用步进电机为4相步进电机，最小旋转角度为1.8度，其正向转动控制时序如下所示，每一个脉冲控制其转过1.8度。反向转动控制时序如下：2.2.2 八位七段数码管显示模块八位七段数码管是电子开发过程中常用的输出显示设备。在实验系统中使用的是两个四位一体、共阴极型七段数码管。由于七段数码管公共端连接到GND（共阴极型），当数码管的中的那一个段被输入高电平，那么相应的这一段被点亮。反之那么不亮。共阳极性的数码管与之相么。四位一体的七段数码管在单个静态数码管的根底上参加了用于选择哪一位数码管的位选信号端口。八个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h、dp都连在了一起，8个数码管分别由各自的位

11、选信号来控制，被选通的数码管显示数据，其余关闭。其单个静态数码管如下列图2.2所示。图2.12静态七段数码管2.416F6点阵显示模块16*16点阵由此256个LED通过排列组合而形成16行*16列的一个矩阵式的LED阵列，俗称16*16点阵。单个的LED的电路如下列图2.4所示。图2.6单个LED电路图由上图可知，对于单个LED的电路图当Rn输入一个高电平，同时Cn输入一个低电平时，电路形成一个回路，LED发光。也就是LED点阵对应的这个点被点亮。16*16点阵也就是由16行和16列的LED组成,其中每一行的所有16个LED的Rn端并联在一起，每一列的所有16个LED的Cn端并联在一起。通过

12、给Rn输入一个高电平，也就相当于给这一列所有LED输入了一个高电平，这时只要某个LED的Cn端输入一个低电平时，对应的LED就会被点亮。具体的电路如3程序流程设计3.1主体流程图步进电机的角度和正反转控制是整个程序的核心局部，其整体流程图如下列图3.1所示。3.316*16点阵显示流程图心4总结心得与体会：这次EDA课程设计，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多东西，同时不仅可以稳固以前所学的知识，而且学到了很多书本上没有的知识。通过这次课程设计，加深了对EDA的了解。当没一个功能模块调试成功时，心里特别的开心。但是在连接所有模块时，总是有错误，最后在细心的检查下，终于排除了错误。通过这次课

13、程设计使我懂得了理论与实际相结合是非常重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论,才能更好的为社会效劳，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。在设计过程中有遇到问题，可以说是困难重重，这毕竟是第一次做，遇到问题是在所难免的，同时在设计的过程中也发现了自己的缺乏之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固。总的来说，这次设计的步进电机控制器还是比拟成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的帮助，大家的探讨和自己的思考下迎刃而解。有点小小的成就感，终于觉得平时学的知识有了实用的价值，到达了理论与实际相结合的目的。不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清晰的认识，同时，对未来有了更多的信心。