步进电机定位控制系统方案

课程设计

题目步进电机定位控制系统设计学院信息工程学院

专业

班级

姓名

指导老师

2018~2018学年6月20日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目:步进电机定位控制系统设计

初始条件：

1. 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力；

2. 熟悉ISE 仿真软件的操作与运用；

3. 掌握步进电机的工作原理。

要求完成的主要任务:

1. 设计一个基于FPGA 的4 相步进电机定位控制系统，包括步进电机方向设定

电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块。

2.撰写符合学校要求的课程设计说明书。

时间安排：

1、2018 年06月11日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、2018 年06月12日至2018年06月17日，设计说明书撰写。

3、2018年06月18日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：年月日

系主任<或责任教师）签名：年月日

目录

摘要....................................................................................................................... II Abstract ................................................................................................................. II 1 设计目标及简介.. (11)

1.1设计目标 (11)

1.2 步进电机简介 (11)

2 VHDL语言介绍 (11)

3 Quartus Ⅱ介绍 (11)

4 系统组成 (22)

4.1 四相步进电机工作原理 (22)

4.2 系统组成 (44)

5 模块设计 (44)

5.1 FPGA模块图及信号说明 (44)

5.2 系统模块构成 (55)

5.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 (55)

5.4 电机方向设定电路模块 (55)

5.5 步进电机步进移动与定位控制模块 (66)

5.6 编码输出模块 (77)

6 程序设计与仿真 (77)

7 仿真结果 (1010)

8 实验总结 (1212)

参考文献 (1212)

摘要

在分析了步进电机工作原理的基础上，提出了步进电机定位控制系统的模块划分和实现方法。以步进电机四相四拍工作方式为例，用Verilog编程在Altera公司的FPGA开发系统中实现了各功能模块和显示程序。在系统仿真的基础上，进行了功能模块的控制实验，实验结果和仿真一致，实现了对步进电机模组的预定控制。

关键词：步进电机定位控制 Verilog硬件描述语言 FPGA

Abstract

On the basis of analysing stepping motor’s operational principle，we put forward modules division and realizing method of positioning control system which using stepping motor.Giving an example such as stepping motors which work in Four-phase-four-step mode，we use Verilog programming realized every foundational module and display routine in Altera’s FPGA development system.On the basis of system simulation，we conduct a controlling experiment about foundational modules，the results are the same as simulation’s results.We carried out the expected control about stepping motor.

Keyword:stepping motor positioning control VHDL FPGA

1 设计目标及简介

1.1设计目标

设计一个基于FPGA的4相步进电机定位控制系统。

1.2 步进电机简介

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

2 VHDL语言介绍

VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，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，VHDL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。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<或称可视部分，及端口）和内部<或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。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部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL 语言主要具有功能强大，设计方式多样；硬件描述能力强大；具有很强的移植能力；设计描述与器件无关程序易于共享和复用等优点。

3 Quartus Ⅱ介绍

Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL

Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完