步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 武漢理工大學(xué)FPGA原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說明書 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 通信1104班 指導(dǎo)教師： 陳適 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件： FPGA芯片（型號(hào)不限），仿真工具不限。 要求完成的主要任務(wù): （1） 主要任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的4相步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)。（2）設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定電路模塊、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)移動(dòng)與定位控制模塊和編碼輸出模塊構(gòu)成。前兩個(gè)模塊完成電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定，激磁方式設(shè)定和定位角度的換算等工作，后一個(gè)模塊用于對(duì)換算后的角度量編碼輸出指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄

2、摘要IAbstractII1緒論12步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)22.1步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介32.2電機(jī)激磁方式介紹42.3步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)工作原理63 EDA概述83.1 VHDL簡(jiǎn)介83.2 Quartus II簡(jiǎn)介104步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)114.1步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定電路模塊114.2 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)移動(dòng)與定位控制模塊134.3 編碼輸出模塊144.4 四相步進(jìn)電機(jī)定位控制器頂層電路的設(shè)計(jì)和仿真155心得體會(huì)176參考文獻(xiàn)18附錄19 摘要現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的精密定位是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要條件，如何提高定位系統(tǒng)的精度一直控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在精密定位系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是其重要組成部分。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，是將電脈沖信

3、號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本文簡(jiǎn)要敘述了四相步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，在對(duì)比以往電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，選擇基于FPGA的四相電機(jī)， 一共完成四個(gè)模塊，分別為輸入模塊、方向設(shè)定、移動(dòng)定位控制和編碼輸出模塊。在開路控制的情況下，為使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)中的磁性線圈或繞組以特定順序通電或斷電，要求采用數(shù)字信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)每個(gè)線圈中的電流，使得系統(tǒng)得到最

4、佳的性能。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 步距角 脈沖頻率 FPGAII Abstract Precise positioning of modern machinery and equipment is a prerequisite to achieve precision machining, how to improve the accuracy of the positioning system has been a hot research field control, precision positioning system, the stepper motor is an important

5、 component. For stepper motor system, the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement of the open loop stepper motor control element pieces. Stepper motors replace the small DC motors in computer peripherals in the future, to improve its performance equipment quickly pro

6、moted the development of stepping motor can be controlled by controlling the number of pulses angular displacement, so as to achieve accurate positioning ; also can be controlled by controlling the pulse frequency of the motor rotation speed and acceleration to achieve speed control purposes.This pa

7、per briefly describes the four phase step motor system design process, in comparison of previous motor design, choose four phase motor based on FPGA, completed a total of four modules, input module, respectively, set the direction, mobile positioning control and encoding output module. In the case o

8、f open loop control, movement to make the stepper motor, motor, magnetic coils in a particular order or winding electricity or power outages, require the use of digital signal to control the motor current of each coil, causing the system to get the best performance.Keywords: step motor step Angle pu

9、lse frequency FPGA1緒論 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣?huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作

10、為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)械加工機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而混合式電動(dòng)機(jī)又向以下四個(gè)方向發(fā)展：發(fā)展趨勢(shì)之一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小，在57、42機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號(hào)向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。發(fā)展趨勢(shì)之二，是改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提

11、高。同樣機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高3040。發(fā)展趨勢(shì)之三，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能?，F(xiàn)在制造業(yè)對(duì)精密加工的要求越來越高，能否實(shí)現(xiàn)精密加工已成為各設(shè)備制造商在國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵因素，發(fā)達(dá)國家都十分重視精密加工技術(shù)的水平和發(fā)展，并利用它進(jìn)行產(chǎn)品革新和擴(kuò)大生產(chǎn)，而設(shè)備的精密定位是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要條件，如何提高定位系統(tǒng)的精度一直控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在精密定位系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是其重要組成部分，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)每年在數(shù)控生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)型定位系統(tǒng)改造及機(jī)器人等定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

12、，又2/3以上采用的是以步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)。因此，如何改善電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。隨著步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中作為伺服元件，步進(jìn)電機(jī)在實(shí)時(shí)性和靈活性等性能上的要求越來越高。那么如何靈活、有效地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)成為研究的主要方向。這里采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，通過VHDL語言編程來實(shí)現(xiàn)四相步進(jìn)電機(jī)的控制。利用FPGA設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：  硬件設(shè)計(jì)軟件化 FPGA的開發(fā)在功能層面上可以脫離硬件在EDA軟件上

13、做軟仿真。當(dāng)功能確定無誤后可以進(jìn)行硬件電路板的設(shè)計(jì)。最后將設(shè)計(jì)好的，由EDA軟件生成的燒寫文件下載到配置設(shè)備中去，進(jìn)行在線調(diào)試，如果這時(shí)的結(jié)果與要求不一致，可以立即更改設(shè)計(jì)軟件，并再次燒寫到配置芯片中而不必改動(dòng)外接硬件電路。進(jìn)行分層模塊設(shè)汁后系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，在實(shí)時(shí)性和靈活性等性能上都有很大的提高，有利于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。     高度集成化，高工作頻率 一般的FPGA內(nèi)部都集成有上百萬的邏輯門，可以在其內(nèi)部規(guī)劃出多個(gè)與傳統(tǒng)小規(guī)模集成器件功能相當(dāng)?shù)哪K。另外，一般的FPGA內(nèi)部都有PLL倍頻和分頻電路模塊，這樣可以在外部采用較低

14、頻率的晶振而在內(nèi)部獲得較高頻率的時(shí)鐘，進(jìn)一步解決了電磁干擾和電磁兼容問題。2步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直

15、流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈

16、沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在精密定位系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是其重要組成部分，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)每年在數(shù)控生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)型定位系統(tǒng)改造及機(jī)器人等定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，又2/3以上采用的是以步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)。因此，如何改善電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。2.2電機(jī)激磁方式簡(jiǎn)介步進(jìn)馬達(dá)依定子線圈的相數(shù)不同可分成二相、四相及五相式，小型步進(jìn)馬達(dá)以二相式較為普遍。單極性型(unipolar) ：定子磁極極性

17、為同一方向，如可變磁阻式步進(jìn)馬達(dá)，磁極線圈只有一組，所加的激磁電流為固定方向，因此單極性步進(jìn)馬達(dá)所需的電源較簡(jiǎn)單。單極性驅(qū)動(dòng)電路使用四只晶體管來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位。電機(jī)結(jié)構(gòu)則如圖2-1所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個(gè)電機(jī)共有六條線與外界連接。這類電機(jī)有時(shí)又稱為四相電機(jī)，但這種稱呼容易令人區(qū)分不了又不正確，因?yàn)樗鋵?shí)只有兩個(gè)相位，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進(jìn)電機(jī)。六線式步進(jìn)電機(jī)雖又稱為單極性步進(jìn)電機(jī)，實(shí)際上卻能同時(shí)使用單極性或雙極性驅(qū)動(dòng)電路。 圖2-1 單極性二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路雙極性型(bipolar) ：定子磁極極性為兩個(gè)方向，如永久磁鐵式步進(jìn)馬達(dá)，其轉(zhuǎn)子的極性和定子磁極極性有交互

18、變化的需要。單一激磁線圈時(shí)其激磁方向?yàn)檎?fù)交替變化，兩組磁極線圈時(shí)，一組正向激磁，另一組負(fù)向激磁，兩組交替變化，使定子磁極極性變化。以雙極方式運(yùn)用，其電源較為復(fù)雜。雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路則如圖2-2所示，它會(huì)使用八只晶體管來驅(qū)動(dòng)兩組相位。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式步進(jìn)電機(jī)，雖然四線式電機(jī)只能使用雙極性驅(qū)動(dòng)電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動(dòng)電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動(dòng)，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動(dòng)電路。雙極性驅(qū)動(dòng)電路的晶體管只需承受電機(jī)電壓，所以它不像單極性驅(qū)動(dòng)電路一樣需要箝位電路。 圖2-2 雙極

19、性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路四相步進(jìn)電機(jī)的激磁方式有下列兩種:(1).全步激磁全步激磁方式又可分為1 相激磁與2相激磁兩種方式，說明如下: 1相激磁 在每一瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通，其他線圈在休息，其特點(diǎn)是，激磁方法簡(jiǎn)單，消耗電力小，精確度良好。但是轉(zhuǎn)矩小，振動(dòng)較大，而在每送一次激磁信號(hào)可走1.8°。每次只激磁一相線圈，每輸入一個(gè)脈波，便產(chǎn)生一步級(jí)的轉(zhuǎn)，當(dāng)激磁依ABABA相順序，則馬達(dá)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn);若依BABAB相順序激磁，則馬達(dá)依逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。此種激磁方式之優(yōu)點(diǎn)為線圈消耗功率小，角精確度良好，但其轉(zhuǎn)距小，加上阻尼特性不良，易失步。 2相激磁在每一瞬間會(huì)有兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩大，振

20、動(dòng)較小，每送一次激磁信號(hào)可走1.8°。而如果每次輸入一個(gè)脈波，則將會(huì)有二相線圈激磁，由此可知，即若依ABBAABBAAB相的順序依次激磁，則馬達(dá)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn):而若依BAABBAABBA相順序激磁，則馬達(dá)轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。此種激磁方式由于同時(shí)有兩組線圈激磁，輸出轉(zhuǎn)距較大，加上阻尼效果良好，故能按較高的脈波率，但其缺點(diǎn)為耗電較大，容易發(fā)熱。（2）半步激磁 此種激磁方式又稱為1-2相激磁，激磁一相線圈和二相線圈交互進(jìn)行，并且每加入一數(shù)字脈波所轉(zhuǎn)動(dòng)之角度變?yōu)樵竭M(jìn)角的一半，因此使得分辨率可以很好地提高一倍，而且它在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)已經(jīng)相當(dāng)平滑，所以它與2相激磁方式同樣受到了非常廣泛的使用，但是若依

21、照AABBBAAABBBAAAB相的順序激磁，則步進(jìn)馬達(dá)將以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；但如果依照BAAABBBAAABBBA相順序激磁，則馬達(dá)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。1相激磁、2相激磁和1-2相激磁方式如表2-1所示。 表2-1 3種激磁方式1相激磁 2相激磁 1-2相激磁步AB步AB步AB101111001110111210112100120011311013110031011411104011041001501115001151101610116100161100711107110071110810118011080110 改變線圈激磁的順序可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，每送一次激磁信號(hào)后，要經(jīng)過一小段的時(shí)間延

22、時(shí)，讓步進(jìn)電機(jī)有足夠的時(shí)間建立激場(chǎng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)工作原理步進(jìn)電機(jī)是按步旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，而不是連續(xù)運(yùn)行的，典型情況下是每步旋轉(zhuǎn)15º。另外，步進(jìn)電機(jī)是利用數(shù)字信號(hào)控制的電機(jī)裝置，步進(jìn)電機(jī)每次接收到一組脈沖數(shù)字信號(hào)，便旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，稱為步進(jìn)角。不同規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角不同，與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的線圈數(shù)量有關(guān)。線圈中的供應(yīng)電流決定線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向。 如果將電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子置于線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，便會(huì)受到磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生與磁場(chǎng)方向一致的力，轉(zhuǎn)子便開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向與線圈的磁場(chǎng)方向一致為止。4相步進(jìn)電機(jī)有兩組線圈 A和 B。A、B兩組垂直擺放線圈的電流方向的排列組合，最多可以產(chǎn)

23、生8種磁場(chǎng)方向，分別是0º、45º、90º、135º、180º、225º、270º、315º，如圖2-3所示，表2-2給出了4相步進(jìn)電機(jī)的8個(gè)方向和電流以及電壓信號(hào)的關(guān)系 圖2-3四相步進(jìn)電機(jī)線圈磁場(chǎng)方向圖 4相步進(jìn)電機(jī)有兩組線圈 A和 B，如上圖所示，A、B兩組垂直擺放線圈的電流方向的排列組合，最多可以產(chǎn)生8種磁場(chǎng)方向，分別是0º、45º、90º、135º、180º、225º、270º、315º 表2-2 四相步進(jìn)電機(jī)的8個(gè)方向和電流

24、電壓信號(hào)的關(guān)系表 由表2-2可知，假設(shè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子刻度在0º的位置，想讓其轉(zhuǎn)180º，可以使端口信號(hào)依次按0001à0011à0010à0110à0100變化。但是否有更快的方法，是否一定要經(jīng)過4個(gè)信號(hào)過程呢？其實(shí)有更快更省電的方式讓電動(dòng)機(jī)從0º到達(dá)180º的位置。這就是所謂激磁方式的不同。3 EDA概述EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀(jì)60年代中期從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）

25、的概念發(fā)展而來的。20世紀(jì)90年代，國際上電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)較為先進(jìn)的國家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)計(jì)方法、工具等方面進(jìn)行了徹底的變革，取得了巨大成功。在電子技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可編程邏輯器件（如CPLD、FPGA）的應(yīng)用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念，促進(jìn)了EDA技術(shù)的迅速發(fā)展。EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言VHDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)

26、地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。3.1 VHDL簡(jiǎn)介VHDL語言是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國國防部開發(fā)出來供美軍用來提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語言 。VHDL翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言，主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。它在中國的應(yīng)用多數(shù)是用在FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計(jì)中。當(dāng)然在一些實(shí)力較為雄厚的單位，它也被用來設(shè)計(jì)ASIC。VHDL主要用于描述數(shù)字

27、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式、描述風(fēng)格以及語法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。與其他硬件描述語言相比，VHDL具有以下特點(diǎn)：功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活VHDL具有功能強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu)，可以用簡(jiǎn)潔明確的源代碼來描述復(fù)雜

28、的邏輯控制。它具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，層層細(xì)化，最后可直接生成電路級(jí)描述。VHDL支持同步電路、異步電路和隨機(jī)電路的設(shè)計(jì)，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。VHDL還支持各種設(shè)計(jì)方法，既支持自底向上的設(shè)計(jì)，又支持自頂向下的設(shè)計(jì)；既支持模塊化設(shè)計(jì)，又支持層次化設(shè)計(jì)。支持廣泛、易于修改由于VHDL已經(jīng)成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的硬件描述語言，大多數(shù)EDA工幾乎都支持VHDL，這為VHDL的進(jìn)一步推廣和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在硬件電路設(shè)計(jì)過程中，主要的設(shè)計(jì)文件是用VHDL編寫的源代碼，因?yàn)閂HDL易讀和結(jié)構(gòu)化，所以易于修改設(shè)計(jì)。強(qiáng)大的系統(tǒng)硬件描述能力VHDL具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，既可以描述系統(tǒng)級(jí)電路

29、，又可以描述門級(jí)電路。而描述既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級(jí)描述。另外，VHDL支持慣性延遲和傳輸延遲，還可以準(zhǔn)確地建立硬件電路模型。VHDL支持預(yù)定義的和自定義的數(shù)據(jù)類型，給硬件描述帶來較大的自由度，使設(shè)計(jì)人員能夠方便地創(chuàng)建高層次的系統(tǒng)模型。獨(dú)立于器件的設(shè)計(jì)、與工藝無關(guān)設(shè)計(jì)人員用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不需要首先考慮選擇完成設(shè)計(jì)的器件，就可以集中精力進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計(jì)描述完成后，可以用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其功能。很強(qiáng)的移植能力VHDL是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言，同一個(gè)設(shè)計(jì)描述可以被不同的工具所支持，使得設(shè)計(jì)描述的移植成為可能。易于共享和復(fù)用VHDL

30、采用基于庫（Library）的設(shè)計(jì)方法，可以建立各種可再次利用的模塊。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計(jì)或使用以前設(shè)計(jì)中的存檔模塊，將這些模塊存放到庫中，就可以在以后的設(shè)計(jì)中進(jìn)行復(fù)用，可以使設(shè)計(jì)成果在設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流和共享，減少硬件電路設(shè)計(jì)。3.2 Quartus II簡(jiǎn)介Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。Quartus II可以在XP、L

31、inux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計(jì)流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計(jì)方式。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。同時(shí)支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、加快了設(shè)計(jì)速度。對(duì)第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開發(fā)

32、、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺(tái)。Maxplus II 作為Altera的上一代PLD設(shè)計(jì)軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對(duì)Maxplus II 的更新支持，Quartus II 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。Altera在Quartus II 中包含了許多諸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的設(shè)計(jì)輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設(shè)計(jì)流程，并且繼承了Maxplus II 友好的圖形界面及簡(jiǎn)便的使用方法。作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境, 由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，越

33、來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。4步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)定位控制器的系統(tǒng)組成如圖4-1所示 圖4-1 步進(jìn)電機(jī)定位控制器的系統(tǒng)組成框圖 步進(jìn)電機(jī)定位控制器主要由步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定電路模塊、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)移動(dòng)與定位控制模塊以及編碼輸出模塊構(gòu)成。前兩個(gè)模塊完成電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定，激磁方式設(shè)定和定位角度的換算等工作，后一個(gè)模塊用于對(duì)換算后的角度量編碼輸出。4.1步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定電路模塊該模塊的功能是設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），并設(shè)定電動(dòng)機(jī)在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的初值與累加/減值。模塊輸出時(shí)各個(gè)初值以及累加/減值的設(shè)定真值表如表4-1與表4-2所示。表4-1步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定

34、電路模塊初值與累加/減值真值表（dir=0）激磁方式（manner） 初值（cntini）累計(jì)值（cntinc）步進(jìn)角計(jì)數(shù)值angledncntdec 00 angle=2n+1時(shí) 1 angle=2n 時(shí) 0 2 2 01 0 2 2 10 -1 2 2 11 0 1 1設(shè)dir=0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)模式，累加值為正數(shù)，dir=1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)模式，累加值為負(fù)數(shù)。 manner 選擇激磁方式 00、01、10、11分別對(duì)應(yīng)默認(rèn)激磁方式、1-相激磁方式、2-相激磁方式和1-2-相激磁方式。表4-2步進(jìn)電機(jī)方向設(shè)定電路模塊初值與累加/減值真值表（dir=1）激磁方式（ma

35、nner） 初值（cntini）累計(jì)值（cntinc）步進(jìn)角計(jì)數(shù)值angledncntdec 00 angle=2n+1時(shí) 1 angle=2n 時(shí) 0 -2 2 01 0 -2 2 10 -1 -2 2 11 0 -1 1源程序中，逆時(shí)針操作模式（dir=0），則累加值為正數(shù)，順時(shí)針操作模式（dir=1），則累加值為負(fù)數(shù)。不失一般性，下面給出逆時(shí)針操作模式的計(jì)數(shù)規(guī)則和仿真輸出（ini=0賦初值，ini=1時(shí)開始記數(shù)）：如果manner=01電路使用1-相激磁法，則count的初始值為000（cntini<=0）,每次加2（cntinc<=2）；angledncntdec每次減2（

36、angledncntdec<=2）。仿真結(jié)果如圖4-2所示 圖4-2方向設(shè)定電路模塊仿真輸出（1-相激磁法）如果manner=10電路使用2-相激磁法，則count的初始值為111（cntini<=1），每次加2（cntinc<=2）；angledncntdec每次減2（angledncntdec<=2）,仿真結(jié)果如圖4-3所示。 圖4-3方向設(shè)定電路模塊仿真輸出（2-相激磁法）如果manner=00，進(jìn)行自動(dòng)判斷，若angle步進(jìn)角為偶數(shù)（角度設(shè)定可以被90整除），使用1-相激磁法，count的初始值000(cntini<=0),每次加2(cntinc<=

37、2)；否則使用2-相激磁法，count的初始值為111(cntini<=-1)，每次加2(cntinc<=2 )。仿真結(jié)果如圖4-4所示。但無論使用1-相激磁法，還是2-相激磁法，angledncntdec每次都是減2(angledncntdec<=2)。 圖4-4方向設(shè)定電路模塊仿真輸出（自動(dòng)判斷）如果manner=11,使用1-2相激磁法，則count初始值為000(cntini<=0)，每次加1(cntinc<=1)，angledncntdec每次減1(angledncntdec<=1)。仿真結(jié)果如圖4-5所示. 圖4-5方向設(shè)定電路模塊仿真輸出（1-

38、2相激磁法）4.2 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)移動(dòng)與定位控制模塊該模塊的主要功能是利用賦初值ini將數(shù)值傳到該模塊中并配合輸入的clk作為同步控制信號(hào)，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)移動(dòng)與定位控制。步進(jìn)電機(jī)定位功能通過一個(gè)減法器實(shí)現(xiàn)：在每個(gè)clk脈沖上升沿，設(shè)定步進(jìn)角倍數(shù)angledncount 減去不同激磁方式下設(shè)定的累減記數(shù)值angledncntdec，判斷差值小于設(shè)定的累減記數(shù)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到預(yù)定角度停止輸出驅(qū)動(dòng)端口信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的定位功能，驅(qū)動(dòng)端口信號(hào)利用累加器實(shí)現(xiàn)。(1)假如reset=1條件成立，則將count與angledncount設(shè)置成0；(2)假設(shè)reset=0,而時(shí)鐘信號(hào)clk為上升沿觸發(fā)并

39、且ini=0時(shí)，則將設(shè)定的初值(cntini與angle)分別賦值給count與angledncount這兩個(gè)信號(hào)端，其實(shí)即(count<=0+cntini)與(angledncount<=angle)；(3)假設(shè)reset=0,clk為上升沿觸發(fā)且ini=1時(shí)，則將count與cntini相加，再將結(jié)果存為count。然后判斷angledncount的值是否大于angledncntdec。如果大于，則用angledncount減angledncntdec,將結(jié)果存為ngledncount；否則，將angledncount設(shè)為0（因?yàn)榇藭r(shí)angledncount的值小于angled

40、ncntdec,表示電動(dòng)機(jī)已到達(dá)設(shè)定位置，故不需要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了）。不失一般性，下面給出在2-相激磁方式下電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果如圖4-6所示：圖4-6步進(jìn)移動(dòng)與定位控制模塊（2-相激磁，dir=1）仿真結(jié)果在圖4-6中，分析angledncount連線信號(hào)的波形可以發(fā)現(xiàn)，angledncount的計(jì)數(shù)值總是向下遞減2，故angledncntdec的值為2。當(dāng)angledncount的值為1時(shí)，表示angledncount的值已經(jīng)小于angledncntdec，此時(shí)angledncount被設(shè)為0，即電動(dòng)機(jī)已到達(dá)設(shè)定位置，故不需要再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了（因?yàn)闊o論count的數(shù)值是多少，輸出baba的狀態(tài)

41、永遠(yuǎn)維持為00004.3 編碼輸出模塊該模塊的主要功能是將count與angledncount產(chǎn)生的數(shù)值經(jīng)過編碼，并通過baba3.0輸出到步進(jìn)電機(jī)，四相步進(jìn)電機(jī)端口信號(hào)由計(jì)數(shù)器編碼而來，詳細(xì)的編碼方式列于表4-3。表4-3 四相步進(jìn)電機(jī)端口信號(hào)輸出編碼計(jì)數(shù)器現(xiàn)值count01234567端口B´A´BA編碼baba3.000010011001001100100110010001001磁場(chǎng)方向0º45º90º135º180º225º270º315º其仿真輸出結(jié)果如圖4-7所示 圖4-7編碼輸出模

42、塊仿真輸出結(jié)果4.4 四相步進(jìn)電機(jī)定位控制器頂層電路的設(shè)計(jì)和仿真四相步進(jìn)電機(jī)的VHDL程序編譯圖如圖4-8所示 圖4-8步進(jìn)電機(jī)程序編譯圖步進(jìn)電機(jī)的整體波形仿真圖如圖4-9所示 圖4-9 步進(jìn)電機(jī)整體仿真圖步進(jìn)電機(jī)的局部波形仿真圖如圖4-10所示 圖4-10 步進(jìn)電機(jī)局部仿真圖源程序中，系統(tǒng)輸入信號(hào)為：reset是系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號(hào)，“1”時(shí)有效；dir是步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的方向控制開關(guān)，即旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)定（dir=0：逆時(shí)針方向；dir=1：順時(shí)針方向）；clk是由外部提供的4MHz的時(shí)鐘信號(hào)；ini是賦初值的使能開關(guān)，“0”時(shí)有效；manner1. 0 是激磁方式的選擇開關(guān)（00：自動(dòng)檢測(cè)角度輸

43、入，決定激磁方式；01：1-相激磁；10：2-相激磁；11：1-2相激磁）；angle7.0 是步進(jìn)角的倍數(shù)設(shè)定輸入鍵。5心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程. 回顧起此次FPGA課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理

44、論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。 在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固通過這次課程設(shè)計(jì)之后，一定把以前所學(xué)過的知識(shí)重新溫故。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，同學(xué)的幫助下終于迎刃而解。在次我表示感謝！ 226參考文獻(xiàn)1樊昌信,曹麗娜等.通信原理(第6 版)M.國防工業(yè)出版社,20102段吉海,黃智偉.基于CPLD/FPG

45、A 的數(shù)字通信系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,20043張學(xué)武.數(shù)字基帶遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆抡嫜芯縅.2005,22(8):282-2854譚會(huì)生.EDA 技術(shù)基礎(chǔ)M.湖南大學(xué)出版社,20045潘松,黃繼業(yè).EDA 技術(shù)與VHDLM.清華大學(xué)出版社,2005,76鄭信源.Verilog 硬件描述語言數(shù)字電路設(shè)計(jì)范例M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20057王偉.VerilogHDL 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:人民郵電出版社,20058楊貴.FPGA 在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用與研究D.湖南大學(xué),2005,109徐惠民,安德寧.數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)與VHDL 描述M.機(jī)械工業(yè)出版社.2002附錄library IE

46、EE;use IEEE.std_logic_1164.all;use IEEE.std_logic_arith.all;use IEEE.std_logic_unsigned.all;entity step_motor isport (reset:in STD_LOGIC; -系統(tǒng)復(fù)位信號(hào) dir: in STD_LOGIC; -方向控制信號(hào) clk: in STD_LOGIC; -系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào) ini: in STD_LOGIC; -初始化使能信號(hào) manner: in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); -激磁方式的選擇開關(guān) angle: in INTEGER r

47、ange 255 downto 0; -步進(jìn)角的倍數(shù)設(shè)定輸入 baBA: out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0); -步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)輸出end step_motor;architecture stepmotor_arch of step_motor issignal count: INTEGER range 0 to 7; -計(jì)數(shù)器 signal cntInc: INTEGER range -2 to 2; -設(shè)定累加器所需的累（加/減）計(jì)數(shù)值signal cc : integer range 0 to 3;signal cntIni: INTEGER range -

48、1 to 0; -設(shè)定累加器所需的計(jì)數(shù)初值signal angleDnCount: INTEGER range 255 downto 0; -計(jì)算已經(jīng)轉(zhuǎn)過的步進(jìn)角signal angleDnCntDec: INTEGER range 2 downto 1; begin process(dir, manner, angle)-, ini) begin -if ini='1' then cc<=conv_integer(manner); if dir='0' then case cc is when 1 => - 1-相激勵(lì) -count<=0;

49、cntIni<=0; cntInc<=2; angleDnCntDec<=2;-"10" when 2 => - 2-相激勵(lì) -count<=7; cntIni<=-1; cntInc<=2; angleDnCntDec<=2;-"10" when 3 => - 1-2相激勵(lì) -count<=0; cntIni<=0; cntInc<=1; angleDnCntDec<=1;-"01" when 0 => -manner="00" autodetect if (a