步进电机控制论文

步进电机控制器

题目名称___步进电机控制器______ 学生学院机电工程学院

专业班级机械设计与自动化专升本1班学号 11013120139

学生姓名魏许照_________ 2012年10 月12 日

一、课程设计的内容

设计一个步进电机控制器。

二、课程设计的要求与数据

1．控制器可控制步进电机进行正转和反转；

2．设置一个开关，使控制器控制电机具有三相六拍、三相三拍两种工作方式；

3．设计步数显示和步数控制电路，能控制步进电机运转到预置的步数时即停止转动；

4. 应有启动、停止和复位功能，利用复位信号使电机恢复到初始通电相位状态。

注：三相步进电动机有三个绕组：A、B、C，

三相六拍工作方式时，正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→…

反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A→…

三相三拍工作方式时，正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→…

反转通电顺序为：AB→CA→BC→AB→…

三、课程设计应完成的工作

1. 利用各种电子器件设计步进电机控制器；

2. 利用DE2板对所设计的电路进行验证；

3. 总结电路设计结果，撰写课程设计报告。

查阅的资料及主要参考文献

现代电子技术实践课程指导，谢云等主编. 机械工业出版社

EDA技术与应用，江国强. 电子工业出版社

FPGA与SOPC设计教程: DE2实践，张志刚编著. 西安电子科技大学出版社摘要本设计是用Quartus作为开发环境，以DE2板为硬件平台实现的一个多功能步进电机控制器。设计过程方便。实现了实现了步进电机的正转反转，三相三拍，三相六拍，正转，反转等控制器的基本功能。此外，该设计还实现了步数显示和步数控制，能控制步进电机转动指定拍数后停止转动，还可以控制电机转速，具有很强的可控制性。

用DE2板实现具有电路简洁，开发周期短的优点。充分利用了EDA设计的优点。开发过程用了原理图输入方法来进行描述，从底层设计，充分提高了设计者的数字逻辑设计的概念。

1 设计任务目的及要求

1.1 设计的目的

通过这次课程设计，锻炼学生的独立设计数字逻辑的设计的能力和独立解决问题的能力。并熟悉EDA开发的流程，为以后学习，工作打下基础。本设计在FPGA上实现。应用可编程逻辑器件（Programmable Logic Device PLD）实现数字系统设计和单片系统的设计，是目前利用EDA技术设计数字系统的潮流。学生在设计过程中能对一个数字系统有个很好的理解。在DE2板上进行开发，则让学生充分的发挥自己的创新能力。

1.2设计的要求

1)要求学生独立完成整个分析任务，确定方案，设计，仿真修改，验证，下载的

设计过程。

1．控制器可控制步进电机进行正转和反转；

2．设置一个开关，使控制器控制电机具有三相六拍、三相三拍两种工作方式；

3．设计步数显示和步数控制电路，能控制步进电机运转到预置的步数时即停止转动；

4. 应有启动、停止和复位功能，利用复位信号使电机恢复到初始通电相位状态。

2)对本次设计要有个总结，提交一份报告说明书。用以提高学生的总结，整理设

计的能力。有利于学生学习的条理性

3)在学有余力的情况下，可以自己添加一些特定的功能，充分利用DE2板上的

资源，提高自己的学习能力。

2 原理与模块介绍

2.1 步进电机实现三相三拍和正反转功能

该部分实现步进电机的正反转和三相三拍功能。原理图为图2.1所示。用两个7474双D 触发器加逻辑门实现。每当复位端有低电平脉冲输入，该电路自动置入初始相位AB （110）。正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→…反转通电顺序为：

图2.1

2.2步进电机实现三相六拍和正反转功能

该部分实现步进电机的正反转和三相六拍功能。原理图为图2.2所示。用两个7474双D 触发器加逻辑门实现。每当复位端有低电平脉冲输入，该电路自动置入初始相位A （100）。正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→…反转通电顺序为：

A→CA→C→BC→B→AB→A→…

图2.2

2.3输出控制模块

输出控制模块图2.3所示。采用7240三态传输门实现输出端得控制，使用三态门的好处是输出端可以直接相连，通过使能端选择要通过的信号，比如三相六拍还是三相三拍。

图2.3

2.4时钟分频模块

时钟分频模块。由CLOCK端输入系统自带时钟50MHZ,经过分频器74290。把50MHZ 分频为2HZ由Q端输出,原理图如2.4所示，频率与电机转动的快慢息息相关，因此，只要改变分频器ABCDE的值设置，就可以分出不同的频率，从而可以实现步进电机转动速度的选择。

图2.4

2.5步数显示和步数控制电路

步数显示和步数控制电路采用74190加减计数器，7447译码器和数码管实现。两片74190采用串行方式接成百进制计数器，置数端LDN 与步进电机的复位端相连，当步进电机复位时，计数器置入初值00重新开始计数。步数控制电路由74190的减法计数实现，由两个CLK 端手动设置要转动的步数，电机启动后计数器做减法计数，计数到0时产生的借位信号作为电机停止运转的信号，从而停止转动和计数，从而实现了步数显示和步数控制电路

3 设计方案

3.1 设计思想与方案

本设计采用自顶向下的设计思想。先确定了系统的格局，再分模块实现的方案。

首先对步进电机的实际要求进行逻辑抽象，确定整个系统的输入与输出，输入有系统时钟，启动与停止，复位，工作方式选择端，正反方向控制端，置数控制及置数端。输出有A,B,C的组合来代表不仅电机的工作方式。例如正转三相三拍：（AB-BC-CA…）对应的输出为（110-011-101-110…），由输入与输出的关系，画出ABC的状态循环图及卡诺图，并设计自启动，列出正反转三相三拍、三相六拍QA、QB，QC的状态方程与驱动方程。硬件方面选择D触发器实现，根据D触发器的特性与所列出的系统方程出其逻辑图，上机仿真。

方案的亮点部分。方案完成了提高部分，实现了电机的加速和减速运转。此外，采用了三态传输门控制输出，是电路复杂程度大大缩减，充分利用了芯片的资源，减小了硬件资源。

3.2原理框图