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 摘摘 要要 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设计任务目的及要求 1 1设计的目的设计的目的 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 AB CA BC AB 图 2 1 2 2步进电机实现三相六拍和正反转功能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 复位 100 正反转 控制端 时钟脉 冲输入 端 图 2 2 2 3 输出控制模块输出控制模块 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 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 三相三拍与六 拍选择控制 端择 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 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 高电平时使信号通 过 个位置 数端 十位置 数端 加减计 数控制 端 3 设计方案设计方案 3 1 设计思想与方案设计思想与方案 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 原理框图原理框图 脉冲分配 器 三相 三拍 三 相六拍 A B C 选 通 正反方向控制端 复位 7447 步数显示与译码 74190 加减计数器 置数 时钟分频器 启动与停止 选通 置数控制 工作方式选择端系统时钟 3 3 设计的流程图设计的流程图 把实际问题抽 象化 确定整 体框架与实现 方案 遵循自顶向下的思想 把整体方块模块化 分 四大模块 各个击破 脉冲分配模块步数显示和控 制模块 输出控制模块时钟分频模块 数字逻辑化 状态转换图 电路卡 诺图 状态方程 驱动方程 逻辑 图 分别上机调试 最后确定总图 输出 4 实验结果与数据处理实验结果与数据处理 测试的方法采用波形仿真 再在 DE2 板上面验证 随时对电路图进行修改 直到满足 设计的要求 本次设计采用分开模块仿真波形 4 1 三相三拍与正反转波形的实现 包括复位与启动 三相三拍与正反转波形的实现 包括复位与启动 4 2 三相六拍与正反转波形的实现 包括复位与启动 三相六拍与正反转波形的实现 包括复位与启动 4 3 实验现象实验现象 1 按下启动开始按钮 再选择三相三拍工作方式 选择正转或反转 择代 0 表示 电机反转 1 表示 电机正转 低脉冲复位 复 位后初始相位为 110 表 A B C 的三展 LED 灯按照正转或反转的顺序轮流亮 并且百进制数码管 上开始进行加法计数 代表步进电机所走的拍数 此时如果按下复位键 则数码管显示数字 00 灯回到初始状态 AB 110 复位按键松手后电机重新 转动 计数器也跟着计数 2 按下停止键使电机停止转动 并选择个位置数端与十位置数端把数码管 置成你希望电机要转动的步数 然后在加减选择端选择减法计数 启动电 机 此时电机在转动 数码管上的显示从你预置的数目开始不断的往下减 如果你预置的数目比较大 可以结合分频器选择端选择时钟频率较快端使 电机快转 如果数码管上所显示的数字减到 0 则电机停止转动 数码管 也停止计数 3 电机三相六拍的工作方式现象与三相三拍的类似 在此不在详细描述 5 结论与问题讨论结论与问题讨论 5 1 完成设计要求的程度完成设计要求的程度 本设计在完成了基本要求的所有功能 还实现了电机的快速转动与慢速转动 即 速度可调功能 5 2 遇到的问题及解决方法遇到的问题及解决方法 1 设计电路不能自启动 解决方法 设置一个键 具有复位与置位功能 直接将电机置入循环的有效状态中 2 由于计数器采用串行方式连接 两个触发器不能同时跳转 当减法计数减到 10 时 错误的产生了 0 的信号 从而使电机停止运转 目的是从预置数减到 0 后才停止运转 解决方法 采用两片计数器的借位输出相或产生停止信号 5 3 存在的不足及改进思路存在的不足及改进思路 首先 由于三相三拍与三相六拍分别由两个电路图合成 所用 D 触发器 为 6 个 改进思路是用三个触发器和三态传输门实现电机的所有功能 节省硬 件