1、学生学号 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20132014 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、2014 年 06 月 11 日，布
2、置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、2014 年 06 月 12 日 至 2014 年 06 月 17 日，设计说明书撰写。3、2014 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 .IAbstract.II1 设计目标及简介 .11.1 设计目标 .11.2 步进电机简介 .12 VHDL 语言介绍 .23 Quartus 介绍 .34 系统组成 .44.1 四相步进电机工作原理 .44.2 系统组成 .65 模块设计 .75.1 FPGA 模块图及信号说明 .75.2 系统模块构成
3、.75.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 .75.4 电机方向设定电路模块 .75.5 步进电机步进移动与定位控制模块 .85.6 编码输出模块 .96 程序设计与仿真 .107 仿真结果 .148 实验总结 .16参考文献 .17武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告I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
4、键词：步进电机 定位控制 Verilog 硬件描述语言 FPGA武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告IIAbstractOn the basis of analysing stepping motors 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-
5、phase-four-step mode，we use Verilog programming realized every foundational module and display routine in Alteras FPGA development system.On the basis of system simulation，we conduct a controlling experiment about foundational modules，the results are the same as simulations results.We carried out th
6、e expected control about stepping motor.Keyword: stepping motor positioning control VHDL FPGA武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告11 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
7、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。武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告22 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
8、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。武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告33 Qua
9、rtus 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（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程。Quartus II 可以在 XP、Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 Tcl 脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II 提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具
10、有数字逻辑设计的全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL 和VHDL 完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；芯片（电路）平面布局连线编辑；LogicLock 增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用 SignalTap II 逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的 E
11、DIF网表文件、VHDL 网表文件和 Verilog 网表文件；能生成第三方 EDA 软件使用的 VHDL 网表文件和 Verilog 网表文件。武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告44 系统组成4.1 四相步进电机工作原理步进电机是利用数字信号控制的电机装置，步进电机每次接收到一组脉冲数字信号，便旋转一个角度，称为步进角。不同规格的步进电机的步进角不同，与电动机内部的线圈数量有关。线圈中的供应电流决定线圈所产生的磁场方向。4 相步进电机有两组线圈 A 和 B，如图 4.1 所示，A 、B 两组垂直摆放线圈的电流方向的排列组合，最多可以产生 8 种磁场方向，分别是0、 45、90、1
12、35、180 、225 、270、315。图 4.1 四相步进电机由表 4.1 可以知，假设电动机转子刻度在 0 的位置，想让其转 180，可以使端口信号依次按 0001，0011，0010，0110 到 0100 变化。注意：四相电动机有 1 相激磁法、2 相激磁法和 1-2 相混合激磁法 3 种激磁方式。不同的激磁方式，端口信号的顺序是不同的。表 4.1 四相步进电机的 8 个方向和电流以及电压信号的关系该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相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 4.2 是该四相武汉理工大学 FPGA 原理及应用课程设计报告5反
13、应式步进电机工作原理示意图。图 4.2 四相步进电机步进示意图开始时，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 相绕组磁极产生错齿。当开关 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。依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 4.3 的a、b、c 所示。图 4.3a 单四拍 图 4.3b 双四拍 图 4.3c 八拍
