数电实习报告--三相步进电机控制器设计

三相步进电机控制器设计

一、 设计任务及要求：

设计任务：

1、输入信号：四个控制开关S1、S

2、S3（开关拨下时S ＝0，开关拨上时S ＝1，）和一个外部的时钟源。其中：

（1）、系统上电后，若S1＝1，S2＝1时，电机停止转动，步数清零（三个8421BCD 数码管显

示为000）；

（2）、系统上电后，若S1＝X （无关项），S2＝0时，电机停止转动，步数显示保持（即暂停）；

（3）、系统上电后，若S1＝0，S2＝1时，步进电机三相三拍转动1周（360度），转动完成后

停止，停止以后再操作S1、S2、S3无效，直至重新上电后才能从头工作；

（4）、系统正常工作时，若S3＝0时，步进电机正转，S3＝1时，步进电机反转。

2、外部输入脉冲信号时钟源（50MHz ），经分频后产生两路5Hz 信号，供主控制器和步数计数器使用。还要产生一个400Hz 信号供三个7段数码管扫描显示使用。

3、脉冲分配器将连续脉冲分配给A 、B 、C 三相绕组，根据上面的要求，设计三相三拍控制方式，且具有正反转控制功能的脉冲分配器，即下列两种情况：

（1）三相三拍正转（S3=1）

（2）三相三拍反转（S3=0）

其中每种状态切换时，对应电机转过1度角。 4、脉冲分配输出的三路信号A 、B 、C 分别经过脉冲放大器放大后驱动步进电机的三相绕组，本设计中A 、B 、C 分别用三个LED 显示。

5、输出3组8421BCD 信号（每组4个输出端），并在FPGA 内部经过译码后获得七段LED 显示码，并通过扫描方式在三个发光LED 显示数码光上显示歩进电机的步数（即角度数）。三个数码管共享7位数据线，依靠扫描方式工作，用来计数电机步数或角度数（此处电机转一步即一度）。根据要求3中所述，数码管计数显示000—360之间的数字。

设计要求：

1、 按照现代数字系统的Top-Down 模块化设计方法，提出步进电机控制系统的整体设计方案，并进行正确的功能划分，分别提出并实现主控制器、分频器、步数计数器、扫描显示译码模块等四部分ABC

101(CA) 011(BC)

ABC 011(BC) 101(CA)

模块化子系统的设计方案。

2、在Quartus的EDA设计环境中，采用原理图和Verilog语言混合输入的方法，完成系统的顶层设计、各子系统的模块化设计。分别完成各个基于Verilog语言实现的子模块（包括分频器、步数计数器、主控制器、扫描显示译码四部分）的逻辑功能仿真，并对顶层设计进行功能和时序仿真。

3、在2步的基础上，采用Altera公司的CPLD器件EP1C12F324C8对顶层设计进行适配（Fit Design），生成下载文件。

4、采用DownLoad软件将设计的JED文件烧录到试验板的芯片上，实际测试。

二、设计原理与方案：

（一）、顶层设计方案：

设计原理图如下所示：

该控制器共含有四大部分：主控制器、步数计数器、译码扫描显示电路、分频器。

①分频器由时钟源输入50MHz的脉冲，经过分频器可分频为5Hz和400Hz频率的脉冲，输入给下一级电路。

②主控制器部分根据外部输入的控制按键控制电机的转动方向，根据输入的脉冲控制电机的转动频率，并显示相序的变化。同时向步数计数器输出控制数值，以使步数计数器与主控器同步。另外在主控制器中还应有一个控制端来接收计数器的反馈，使电机在转动360度后能够停止转动。

③计数器部分根据分频器输入的脉冲数进行计数，并由主控制器的输出来控制其是否计数以及清零、暂停等功能。同时当记数到360步后反馈给主控制器一个控制值使其控制电机停止转动。将计数的数值输出给译码扫描电器。

④译码扫描电路中由分频器的400Hz脉冲控制数码管的扫描频率。根据计数器的数值通过4-7译码器显示到数码上。

（二）、控制器设计方案：

设计思路：控制器共有五个输入端口，分别为Clk、s1、s2、s3、k。Clk为脉冲输入端口。Clk为输入脉冲，为5Hz，由分频器输入。k为计数器的返回值，在步数达到360

时，该值有效，电机停转。s1、s2、s3为三个控制键的输入在不同的情况下执行不同的动作，如下：

（1）、系统上电后，若S1＝1，S2＝1时，电机停止转动，步数清零;

（2）、系统上电后，若S1＝X（无关项），S2＝0时，电机停止转动，步数显示保持（即暂停）；

（3）、系统上电后，若S1＝0，S2＝1时，步进电机三相三拍转动1周（360度），转动完成后停止，停止以后再操作S1、S2、S3无效，直至重新上电后才能从头工作；

（4）、系统正常工作时，若S3＝0时，步进电机正转，S3＝1时，步进电机反转。

控制器共有四个输出端口，分别为xiang、key1、key2、key3。key1、key2、key3控制计数器与电机同步计数和清零。xiang为三个相位的输出。

主控器程序如下：

module kongzhiqi(clk,s1,s2,s3,k,xiang,key1,key2,key3);

input clk,s1,s2,s3,k;

output [2:0]xiang;

output key1,key2, key3;

reg key1,key2;

reg [2:0]xiang;

reg [2:0]state;

reg[1:0]i=2'd0;

always @(posedge clk )

begin if(s1==1 && s2==1)

begin key1<=1'b0;key2<=1'b0; end

else if(s1==1 && s2==0)

begin key1<=1'b1;key2<=1'b0; end

else if(s1==0 && s2==0)

begin key1<=1'b1;key2<=1'b0; end

else if(s1==0 && s2==1) begin

if(k==1)

begin key1<=1'b1;key2<=1'b1; xiang=xiang;end

else begin

i=(i==2'd3)? 0:(i+2'd1);