基于 CPLD 的步進電機控制器設(shè)計

1、遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第I頁基于 CPLD 的步進電機控制器設(shè)計摘要隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件在當(dāng)今得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過分析可編程邏輯器件的工作特點，對可編程邏輯器件作為步進電機控制器的可行性進行了探討，并與單片機進行比較（單片機是傳統(tǒng)的步進電機控制器核心），得出了使用可編程邏輯器件作為步進電機控制器，相比較于單片機而言更具有優(yōu)越性的結(jié)論?；趯Σ竭M電機的工作原理進行了詳細(xì)的分析，提出了可編程邏輯器件的使用作為一個開環(huán)控制的步進電機控制方案。該方案控制器的理論輸出波形通過進行編程和仿真在Max+plusII軟件上可以得出。通過對仿真波形的詳細(xì)分析，表明該方案在理論

2、上是成立的。為了證實該控制器的實際可行性，本文在通過方案理論仿真的基礎(chǔ)上對 Altera 公司生產(chǎn)的 CPLD 芯片 EPM7128SLC84-7 進行了程序燒寫，為了付諸實踐進而設(shè)計了一個簡易的步進電機驅(qū)動器，從而完成了對實物電機的控制。通過實踐，證明了該方案的實際可行性。關(guān)鍵詞：步進電機；可編程邏輯器件；MAX+plus II；控制遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第II頁CPLD-based Design of The Stepper MotorControllerAbstractWith the development of microelectronic technology, p

3、rogrammable logic device has been widely used in modern world. This paper discusses the feasibility of programmable logic device as a stepper motor controller by analyzing the characteristics of programmable logic device. Compared with single-chip which is the core of the traditional stepper motor c

4、ontroller , I draw a conclusion that programmable logic device as a stepper motor controller more superior than single-chip. Through the detailed analysis on the working principle of stepper motor ,this paper presents the controller of stepper motor open-loop control scheme will use programmable log

5、ic device. Programming and simulation using MAX+plus II software, the theory of the controller output waveform is obtained .Through detailed analysis of the simulation waveform, shows that the scheme is set up in theory . In order to actually confirm the feasibility of the controller, procedures bur

6、ned into the chip called EPM7128SLC84-7. Then,a simple stepper motor drive is designed and produced. In this way, an integrated stepper motor control system is made. Through the practice ,proves the practical feasibility of the proposed scheme.Key words: stepper motor;PLD;MAX + plus II; control遼寧科技大

7、學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第III頁目錄摘要. I Abstract . II1 緒論 . 11.1 選題背景 . 11.2 EDA 技術(shù)簡介 . 11.3 MAX+plus II 介紹 . 21.4 步進電機 . 21.5 設(shè)計任務(wù) . 32 步進電機的結(jié)構(gòu)及運行原理 . 42.1 混合式步進電機結(jié)構(gòu) . 42.2 四相步進電機運行原理 . 42.3 混合式步進電機的運行特性 . 62.3.1 靜態(tài)運行特性. 62.3.2 步進運行特性. 72.3.3 連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài). 83 步進電機的控制方案 . 103.1 步進電機的開環(huán)控制 . 103.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) . 103.3 器件說明 . 1

8、14 算法及其仿真 . 12遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第IV頁4.1 模式選擇 . 124.2 正反轉(zhuǎn)控制 . 124.3 各相通電順序控制信號生成 . 134.3.1 四相四拍 . 144.3.2 四相八拍 . 144.4 速度轉(zhuǎn)換 . 154.5 整體仿真 . 184.6 顯示與鍵盤 . 184.6.1 數(shù)碼管顯示 . 184.6.2 鍵盤輸入 . 195 系統(tǒng)硬件電路 . 235.1 控制器電路 . 235.2 光電耦合電路 . 245.3 驅(qū)動電路 . 245.4 顯示電路 . 255.5 鍵盤電路 . 26結(jié)論. 28致謝. 29參考文獻 . 30附錄 A . 31附錄 B

9、 . 35遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第1頁 1 緒論1.1 選題背景步進電機控制器在早期由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成或基于單片機為其控制核心。尤其在最初使用數(shù)字邏輯電路作為控制器的時候，控制器由許多的芯片焊接在一塊電路板上構(gòu)成，這需要占用很大的空間。此外，任何一個芯片的失敗將導(dǎo)致控制器工作不正常，系統(tǒng)可靠性低。由于微電子技術(shù)的成長，以單片機為主旨構(gòu)成步進電機的控制器變成主流并延續(xù)至今。單片機使用程序來完成信號的處理并對外部控制對象完成控制，程序編寫靈活，可靠性高，并且使得控制器占用空間大為縮減 。隨著可編程邏輯器件的出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計變得更容易，它包含了大量的邏輯門電路，可以以模塊

10、化的方式，如積木為數(shù)字邏輯電路?？删幊踢壿嬈骷梢允褂脠D形法和硬件描述語言進行編程，允許用戶依據(jù)自己的習(xí)慣和經(jīng)驗單一使用圖形法或者語言描述方法進行設(shè)計，也可以兩種方法共同使用進行設(shè)計，設(shè)計過程非常靈活?？删幊踢壿嬈骷梢园阉行枰玫降臄?shù)字邏輯器件集成到一塊小小的芯片上，這將進一步簡化步進電機控制器電路，使得控制器的運行更為可靠，維護也更為方便。在沒有 EDA 軟件缺乏的時代，數(shù)字電路的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程。首先，設(shè)計者要依據(jù)理論設(shè)計出方案，然后依據(jù)方案將所需的元器件焊接在一塊電路板上并對其通電，測試其輸出端的波形。發(fā)現(xiàn)電路輸出不符合設(shè)計要求時，還需要檢查電路是否有焊接錯誤或者焊接缺陷，大量的

11、時間被電路調(diào)試給消耗掉了。EDA 的出現(xiàn)使得實際中的元器件可以用軟件中的虛擬元件所代替，虛擬的接線易于連接并工作可靠，輸出電壓和電流的電路，也可以在使用虛擬儀器軟件（電流表，電壓表，示波器，邏輯分析儀）測量仿真，而且仿真得到的數(shù)據(jù)也能夠非常近似地反映出實際電路工作是的相關(guān)參數(shù)，這種方法極大地縮短了設(shè)計周期，使勞動生產(chǎn)率大為提高。1.2 EDA 技術(shù)簡介EDA 技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在 EDA 軟件平臺上，用硬件描述語言HDL 完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第2頁 線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯

12、、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)計的效率和可操作性，減輕了設(shè)計者的勞動強度。 EDA 所設(shè)計的范圍有以下三個方面：（1） 電路設(shè)計電路設(shè)計主要是指電路原理圖的設(shè)計、PCB版圖設(shè)計、可編程邏輯器件設(shè)計和單片機（MCU）的設(shè)計等。（2） 電路仿真電路仿真是利用EDA軟件工具的電路環(huán)境（設(shè)計工具包含多種電路器件和電路）的過程（從激勵的全過程的模擬響應(yīng)）。這個工作與的性能調(diào)試和構(gòu)建電路相對應(yīng)著。因為不需要實際器件，因此起到了經(jīng)濟實惠的效果，并且有非常不錯的結(jié)果。（3） 系統(tǒng)分析利用 EDA 技術(shù)及工具能對電路進行直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析

13、、噪聲圖分析、失真分析、直流掃描分析、DC 和 AC 靈敏度分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、轉(zhuǎn)移函數(shù)分析、零極點分析、最壞情況分析、蒙特卡洛分析、批處理分析、用戶自定義分析、反射頻率分析等等。11.3 MAX+plus II 介紹MAX+plus II 是一個集成化的可編程邏輯器件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計者在這個環(huán)境下進行編輯設(shè)計、編譯、校驗、布局布線、下載等一系列設(shè)計工作，并且由于設(shè)計方法的靈活性，可以使設(shè)計者有多種選擇，這樣能使設(shè)計者根據(jù)自己的技術(shù)水平快速完成所需設(shè)計。21.4 步進電機步進電機是一種特殊的電機，廣泛應(yīng)用于位移被要求精確的控制場合。顧名思義，所謂步進電機便是以離散步進方式旋轉(zhuǎn)，每輸

14、入一個脈沖就改動一次通電狀況，它的定子繞組就前進一步。依賴于它的設(shè)計，步進電機能以每步 90°、45°、18°旋轉(zhuǎn)或以每個脈沖至少零點幾的角度旋轉(zhuǎn)。在不同的脈沖頻率下，步進電機可以實現(xiàn)不同快慢速度的旋轉(zhuǎn):步進一次，或是以高達(dá) 4000r/min的速度逐步地旋轉(zhuǎn)。3遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第3頁1.5 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計的主要任務(wù)是研究步進電機的控制方法以及在 Altera 公司提供的開發(fā)環(huán)境 MAX+plus II 平臺上對四相步進電機設(shè)計并編寫控制程序并完成仿真，最后完成對實物的控制。具體內(nèi)容如下：（1） 本文通過對四相步進電機結(jié)構(gòu)的分析，詳細(xì)論述了步進

15、電機的工作運行原理。（2） 依據(jù)設(shè)計要求制定了四相步進電機的控制方案： 四相四拍和四相八拍工作方式。按四相四拍步驟運行時，步進電機在各個繞組的通電次序為 A-B-C-D-A，依次類推；按四相八拍步驟運行時，步進電機的各繞組的通電次序為 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，依次類推。 輸出由發(fā)光二極管顯示，使用開關(guān)座控制信號。可以用 S 來掌控工作的模式；S=1 時為四相四拍運行，S=0 時為四相八拍運行。CLK 為脈沖輸入，頻率為Hz。EN 為輸出使能控制，高電平有效。 要求步進電機速度可調(diào)，能夠反轉(zhuǎn)，運行可靠。（3） 在可編程邏輯器件開發(fā)環(huán)境 MAX+plus II 平臺上編制控制程

16、序并進行仿真。（4）步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計。（5） 將編譯后的程序燒寫到器件 MAX7128SLC84-7 上，連接驅(qū)動電路對實物電機進行控制。（6） 對設(shè)計的工作進行了總結(jié)。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第4頁 2 步進電機的結(jié)構(gòu)及運行原理2.1 混合式步進電機結(jié)構(gòu)混合式步進電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)有很多，還有很高的分辨率和效能，電機定子繞組上的電感比較小。從結(jié)構(gòu)上看，混合式步進電機與反應(yīng)式步進電機非常相似都是采用多相繞組，且電機的定轉(zhuǎn)子上面分布有很多齒槽。一個沿軸方向的磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁鐵產(chǎn)生，該磁場的方向是單向的，這與永磁式步進電機相類似?；旌鲜讲竭M電機可以當(dāng)作同步電機進行速度調(diào)節(jié)，也可當(dāng)作

17、步進電機進行位置開環(huán)控制。如圖 21所示的電機即為比較常見的混合式步進電機的結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子是組成它的兩個重要部分。定子分為8個極，每個極上有勵磁線圈，在磁極末尾有五個小齒均勻分布著。每個極上的線圈都有兩種不同的通電方式，由于這樣四相混合式步進電機就成為了A相和A相，B相和B相，C 相和C相，D 相和D相。電機的轉(zhuǎn)子包括一個環(huán)形永久磁鋼和兩段鐵芯，兩段鐵芯放置在環(huán)形永磁體兩端，和每一段鐵芯上都有一定數(shù)量的齒在圓周上均勻分布，而小齒在兩段鐵芯上是錯開的，錯開的距離有半個齒距，且定子上小齒的齒距等同于鐵心上小齒的齒距。環(huán)形永磁體采用的是在軸向方向磁化的方法，這樣就使得小齒在同一段鐵心上具有相同極性

18、，然而小齒的極性在兩塊不同段的鐵芯上則是相反的。圖 2.1 混合式步進電機的結(jié)構(gòu)圖2.2 四相步進電機運行原理混合式步進電機的磁動勢來源于兩個部分：一個磁動勢來源于永久磁鐵生產(chǎn)的；第二個遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第5頁 則是由定子繞組產(chǎn)生的磁動勢。在每個不同的磁極下，有時為兩種磁動勢的加和，有時則為兩者的差值，與電流方向不斷變化的交流繞組，激發(fā)形成混合式步進電機的氣隙磁通勢。四相的混合式步進電機的構(gòu)造圖如圖21所示。該電機的定子上有八個極分為四相即每兩極構(gòu)成一相，每個定子磁極分布5個小齒，而在轉(zhuǎn)子上則有50個均勻分布的小齒。若在電機的某一端看進去時，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的一個齒的軸線與定子某一個

19、極上的小齒重合時，則其相鄰極上定轉(zhuǎn)子的齒就錯開1/4齒距。從圖21的I端可以看出，當(dāng)磁極“5”和磁極“1”下定轉(zhuǎn)子的齒軸線重合時，在磁極“2"下就錯開了14齒距，而定子齒與轉(zhuǎn)子槽的軸線在“3”極與“7”極下則在一條直線上。該混合式電機的脈沖是同極性的由驅(qū)動器供給，其定子繞組為四相。在這種情況下完全等同于采用由驅(qū)動器供給的正負(fù)脈沖的兩相繞組的工作方式。當(dāng)定子繞組無電流通過或轉(zhuǎn)子上不存在磁鋼時，電機一般就不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩只有在定子的磁勢與轉(zhuǎn)子的磁鋼共同作用的同時才會產(chǎn)生。在每相控制的繞組上無電流流過時，則永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢將決定混合式步進電機氣隙中磁動勢的大小。當(dāng)電機的組成結(jié)構(gòu)的

20、相互對稱時，那么在各個定子磁極下都會產(chǎn)生大小相等的氣隙磁動勢，此時電機將不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在混合式步進電機的磁路上，電機上的磁導(dǎo)總數(shù)與轉(zhuǎn)子的位置無關(guān)，這是由于它的永磁磁路的方向是軸向的。二相或四相混合式步進電機可以運行工作在許多不同的通電方式下。當(dāng)其中的某一相通電時，舉例子當(dāng)A相的定子繞組處于通電狀態(tài)時，如圖2.2所示即為轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)位置。定子的其中四極上有磁勢作用，即 “l(fā)”-“3”-“5”-“7”極，與其對應(yīng)的極性分別為N-S-N-S。就圖21所示的電機，在每相鄰兩個定子磁極之間所夾的齒距數(shù)為508=6+14。倘若轉(zhuǎn)子離開了當(dāng)前的平穩(wěn)位置而向右側(cè)的方向擺動了一個角度，如圖23所示為作用轉(zhuǎn)矩與

21、定轉(zhuǎn)子齒的相對位置以及方向?？梢钥吹?，扭矩在不同極性的方向不同的是相同的，都是使轉(zhuǎn)子可以追溯到穩(wěn)定的平衡位置方向。這是因為在電機兩端的定子極性相同，而轉(zhuǎn)子極性卻相反，定子與轉(zhuǎn)子相互錯開了14齒距，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子不在平穩(wěn)的位置時，其兩頭的作用轉(zhuǎn)矩的方向是相同的。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第6頁圖 2.2 A 轉(zhuǎn)子在各個通電狀態(tài)時的平穩(wěn)位置圖 2.3 作用在偏右位置時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的方向當(dāng)步進電機的定子繞組按單四拍A-B-C-D或雙四拍AB-BC-CD-DA的次序通電，每改發(fā)生一次電源狀態(tài)的改變，轉(zhuǎn)子就沿其通電方向轉(zhuǎn)過l4齒距，即（360°/50）/4=1.8。當(dāng)定子繞組按八拍模式時，在

22、通電狀態(tài)下的每一個變化，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.9度。定子繞組每發(fā)生一次通電狀態(tài)的變化，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度，當(dāng)走過一個通電狀態(tài)的循環(huán)時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距，每發(fā)生50個這樣的通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)一圈即360°。由于混合式步進電機線圈電流的作用而產(chǎn)生了單極磁場，這樣就改變了分布在每個磁極上的磁場，使出現(xiàn)了磁位差在極與極之間，產(chǎn)生的磁位差與定子各相的通電次序一起變換，對氣隙基波磁導(dǎo)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生作用。其工作原理是基于反應(yīng)，這在一個軸向磁場的時間為基礎(chǔ)的同時，也受到徑向磁場的作用。2.3 混合式步進電機的運行特性2.3.1 靜態(tài)運行特性所謂靜態(tài)運行就是指步進電機處在通電情況不發(fā)生變化的運行狀態(tài)。遼

23、寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第7頁圖 2.4 定子和轉(zhuǎn)子齒的位置關(guān)系圖 2.5 步進電機矩角特性2.3.2 步進運行特性當(dāng)作用在步進電機的脈沖頻率較低時，每一個脈沖信號的到來轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子在兩個脈沖之間有充足的時間處于靜止?fàn)顟B(tài)，電機表現(xiàn)為步進運轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時，影響步進電機工作情況的因素主要是電機的負(fù)載狀況和驅(qū)動力矩值，如圖2.6所示。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第8頁圖 2.6 步進電機步進運行當(dāng)電機處于無負(fù)載狀態(tài)，A相定子繞組通電時，OA點為轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡點。當(dāng)B相繞組分配到脈沖時，矩角的特性將由B代替A， OA點對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩將大于零，電機沿著矩角特性B運行到O

24、B點停止。當(dāng)分配脈沖到C相時，轉(zhuǎn)子會以點對點的方式由OB 點運行到OC 點停止，每一拍都轉(zhuǎn)過一個一定的步距角。當(dāng)步進電機以一定的負(fù)載運行，只要負(fù)載達(dá)到相應(yīng)的要求，轉(zhuǎn)子可以保持它的步進運動。2.3.3 連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)當(dāng)頻繁的給予脈沖時，未等電機轉(zhuǎn)子停止就迎來了下一個脈沖，此時步進電機處于連續(xù)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)代替了一步一步的轉(zhuǎn)動。只要失調(diào)角在動態(tài)的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，各相通電狀態(tài)發(fā)生改變的瞬間，轉(zhuǎn)子就會依然不失步的前進轉(zhuǎn)動。步進電機工作在帶負(fù)載條件下，需克服慣性轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)脈沖頻率太大，失準(zhǔn)角必須在下一個脈沖到達(dá)時進入動態(tài)穩(wěn)定區(qū)域，否則電機不能啟動。當(dāng)電機運行時，減少因慣性力矩電機的影響，電機可以連續(xù)運行，

25、其運行的頻率高于起始頻率。相數(shù)或節(jié)拍和步進電機的步進角度成反比關(guān)系，相數(shù)或節(jié)拍數(shù)越多，步進角則越小，越容易成穩(wěn)定的區(qū)域，就會有較高的起始頻率。隨著脈沖信號頻率的增大，電機的旋轉(zhuǎn)速度也就會增大，那么步進電機可以帶動起來的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將會減小。造成這這樣的原因是當(dāng)脈沖頻率升高時，兩個連續(xù)脈沖的時間間隙減小，定子繞組中的電感有阻礙電流變化的作用使其變化緩慢，致使控制繞組的電流在短時間無法上升到穩(wěn)態(tài)值。頻率的高低與電流的數(shù)值成反比，當(dāng)頻率很高時，電流上升遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第9頁 所能到達(dá)的數(shù)值也就很小，則電機的電磁轉(zhuǎn)矩也會很小。此外，隨著頻率的增加，繞組反電勢的增加導(dǎo)致步進電機電流下降，

26、也能使電機輸出轉(zhuǎn)矩下降?？偠灾?，步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩的大小與脈沖頻率的大小成反比關(guān)系。4遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第10頁 3 步進電機的控制方案3.1 步進電機的開環(huán)控制步進電機系統(tǒng)的主要特點是能實現(xiàn)精確位移、精確定位，且無積累誤差。這是因為步進電機的運動受輸入脈沖控制，其位移是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率；若能準(zhǔn)確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制方式中，系統(tǒng)由控制器、光電耦合器、電機驅(qū)動電路以及控制電機運動的信號源構(gòu)成。步進電機的位移量或轉(zhuǎn)角直接反

27、映指令的輸入脈沖，實現(xiàn)同步跟蹤驅(qū)動。步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。在這種系統(tǒng)中，步進電機轉(zhuǎn)軸的位置和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖之間沒有反饋聯(lián)系，不能對轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)情況進行有效的監(jiān)控，以致在某些場合下，由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的波動，會破壞運動的穩(wěn)定性，并且難于實現(xiàn)高速。最常見的失控現(xiàn)象是，當(dāng)輸入脈沖頻率超過步進電機的啟動頻率時，步進電機不能起動或者失去同步。在本設(shè)計中，控制器的輸入脈沖為2Hz，應(yīng)屬于低速運轉(zhuǎn)，故而開環(huán)控制能滿足要求，由于開環(huán)控制經(jīng)濟并且簡單可靠，故而本設(shè)計采取開環(huán)控制方案。圖 3.1步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)流程框圖3.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 3.2，系統(tǒng)設(shè)計中采用 Altera 公司的可編程邏

28、輯器件 EPM7128SLC84-7 芯片作為步進電機的控制器，引入外接 2Hz 時鐘脈沖信號作為控制器所需的輸入脈沖。使用光電耦合芯片tlp521在控制器的輸出信號與電機的驅(qū)動電路之間進行強弱電隔離。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第11頁3.3 器件說明EPM7128SLC84芯片由宏單元、邏輯陣列塊、擴展乘積項、可編程互連陣列(PIA)和 I/O 控制塊五類模塊組成。本設(shè)計中使用的EPM7128SLC84-7 芯片價格很便宜，該芯片共具有84個引腳按功能可分為三類：電源引腳， 指定功能引腳和60個用戶可自定義的I/O 引腳；在內(nèi)部有 128 個邏輯宏單元(Macrocell)；內(nèi)部大

29、概有2500個等效門數(shù)；除了通用的I/O口引腳之外，EPM7128SLC84 芯片還有兩個全局的時鐘、分別為全局的使能信號和全局清零輸入信號；該器件的最大計數(shù)頻率可達(dá)到為151.5MHz，并且內(nèi)部互連延時為 1ns，完全能夠滿足設(shè)計所需要求，另外，在本設(shè)計中采取了模塊化設(shè)計，各個模塊之間相互獨立，易于擴展外部設(shè)備如鍵盤、顯示器等。多余的 I/O 口可為未知的使用場合增加外部設(shè)備留下余地。圖 3.2系統(tǒng)構(gòu)成框圖遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第12頁 4 算法及其仿真4.1 模式選擇根據(jù)設(shè)計要求，S 作為工作方式控制信號；S=1 時為四相四拍運行，S=0 時為四相八拍運行。依此設(shè)計模式選擇模

30、塊：當(dāng) S=1時，將信號輸出端切換到四相四拍通電序列生成模塊上；當(dāng) S=0時，將信號輸出端切換到四相八拍通電序列生成模塊上。相應(yīng)的程序如圖 4.1：圖 4.1 模式選擇其中，Q13Q10 為四相八拍模式下的電機各相控制信號；Q23Q20 為四相四拍模式下的電機各相控制信號。4.2 正反轉(zhuǎn)控制如圖 4.2，其中輸入端 re 為步進電機旋轉(zhuǎn)方向控制信號輸入端，當(dāng) re=0 時，電機順時針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng) re=1時，電機逆時針方向旋轉(zhuǎn)。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第13頁圖 4.2 正反轉(zhuǎn)控制4.3 各相通電順序控制信號生成各相的通電順序控制信號生成均使用了計數(shù)器。其中，四相四拍的通電控制信號

31、采用環(huán)形計數(shù)器對輸入的脈沖進行計數(shù)，每經(jīng)四個脈沖計數(shù)重新開始，每次脈沖的計數(shù)輸出均表現(xiàn)為高電平的單向循環(huán)移位。而四相八拍的通電順序控制用這種方法并不好實現(xiàn)，故而采用用組合邏輯電路事先構(gòu)成各通電狀態(tài)，之后采用二進制計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)，而計數(shù)器輸出的信號正好是對應(yīng)十進制的 07，采用這八個二進制數(shù)作為選擇信號對通電控制信號的各個狀態(tài)進行有序選擇，就能實現(xiàn)各相的順序通電并且運行可靠。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第14頁4.3.1 四相四拍圖 4.3 四位環(huán)形計數(shù)器采用四位環(huán)形計數(shù)器產(chǎn)生循環(huán)的脈沖信號，依次為：“1000”、“0100”、“0010”、“0001”， 如圖 4.3。圖 4

32、.4 四位環(huán)形計數(shù)器時序圖4.3.2 四相八拍四相八拍模式的通電控制信號設(shè)計采用的是組合邏輯電路與時序邏輯電路相結(jié)合的辦法來實現(xiàn)的，即用門電路依 1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001-1001 的順序?qū)⒏麟A段的繞組通電狀態(tài)表示出來，然后使用計數(shù)器產(chǎn)生有序的三位二進制信號對相應(yīng)的各狀態(tài)進行選擇，即000-1000；001-1100；010-0100；011-0110；100-0010；101-0011；110-0001；遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第15頁 111-1001。這樣，繞組各個階段的通電狀態(tài)將能夠準(zhǔn)確無誤地實現(xiàn)。圖 4.5 三位二進制計數(shù)器仿真

33、波形如圖 4.6：圖 4.6 四相八拍模式下控制信號波形4.4 速度轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換模塊使用一個四位的二進制計數(shù)器將輸入頻率為 2Hz 的脈沖信號進行分頻，這樣共獲得2Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.25Hz、0.125 Hz 五個頻率的脈沖信號，經(jīng)由外部輸入的控制信號來控制數(shù)據(jù)選擇器進行速度選擇，便可很方便地對電機的速度進行準(zhǔn)確切換。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第16頁圖 4.7 速度轉(zhuǎn)換模塊計數(shù)器輸出值與速度值對應(yīng)關(guān)系如表 4.1：表 4.1：計數(shù)器輸出值與速度對應(yīng)表S2S1S0 頻率 Hz000/101/110/111 2001 1010 0.5011 0.25100 0.1251

34、、四位二進制計數(shù)器的主要程序代碼如下：（1）實體定義PORT (CLK , RST , EN : IN STD_LOGIC;Q : BUFFER STD_LOGIC_VECTOR ( 3 DOWNTO 0 ) );（2）進程描述PROCESS ( CLK , RST )BEGINIF RST = 0 THENQ <= (OTHERS=>0);ELSIF ( CLKEVENT AND CLK=1) THENIF ( EN = 1 ) THEN遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第17頁Q <= Q+1;ELSEQ <= Q;END IF;END IF;END PROCES

35、S;2、數(shù)據(jù)選擇器主要程序代碼：（1）實體定義PORT ( PLUSE : IN STD_LOGIC;Q0 , Q1 , Q2 , Q3 : IN STD_LOGIC;S : IN STD_LOGIC_VECTOR ( 2 DOWNTO 0 );CLK: OUT STD_LOGIC);（2）進程描述PROCESS ( S )BEGINIF S = “000” THENCLK <= PLUSE;ELSIF S =”001” THENCLK <= Q0;ELSIF S =”010” THENCLK <= Q1;ELSIF S =”011” THENCLK <= Q2;ELS

36、IF S = ”100” THENCLK <= Q3;ELSE CLK <= Q0;END IF;END PROCESS;遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第18頁圖 4.8 速度轉(zhuǎn)換器仿真波形4.5 整體仿真控制器設(shè)計并完成程序編寫后使用MAX+plus II的波形編輯器進行了時序波形仿真，結(jié)果顯示，波形完全符合設(shè)計要求，仿真波形圖見附錄 A。4.6 顯示與鍵盤為了實現(xiàn)人機對話，本設(shè)計采用了一個 LED 數(shù)碼管對電機轉(zhuǎn)速的級別進行顯示。同時加入鍵盤，以便于在需要時可以切換為手動電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。4.6.1 數(shù)碼管顯示設(shè)步進電機的轉(zhuǎn)速級別依速度由大向小依次為 1 級、2 級、3級、4

37、級、5級，分別對應(yīng) 2Hz、1 Hz、0.5Hz、0.25Hz、0.125 Hz，數(shù)碼管相應(yīng)顯示數(shù)字 1、2、3、4、5，采用 VHDL 語言程序?qū)λ俣冗x擇信號進行譯碼。相應(yīng)的 VHDL 語言程序段如下：1、實體定義PORT ( S2 , S1 , S0 : IN STD_LOGIC;Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR ( 8 DOWNTO 0 );2、進程描述PROCESS (S2 , S1 , S0)BEGIN遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第19頁 IF (S2 = '0' AND S1 = '0' AND S0 = '0'

38、;) THENQ <= "111100111"ELSIF (S2 = '0' AND S1 = '0' AND S0 = '1') THENQ <= "001001011"ELSIF ( S2 = '0' AND S1 = '1' AND S0 = '0' ) THENQ <= "000011011"ELSIF (S2 = '0' AND S1 = '1' AND S0 = '1&#

39、39;) THENQ <= "100110011"ELSIF ( S2 = '1' AND S1 = '0' AND S0 = '0' ) THENQ <= "010010011"ELSE Q <= "111100111"END IF ;END PROCESS ;圖 4.9 數(shù)碼管顯示程序仿真波形4.6.2 鍵盤輸入1、手動調(diào)速與自動調(diào)速的切換考慮到有時候需要手動改變電機的轉(zhuǎn)速，故而在基本的控制器基礎(chǔ)上設(shè)計了一個鍵盤輸入模塊，并在鍵盤上增設(shè)一個按鍵 KEY_SEL 用于

40、手動（鍵盤輸入）和自動調(diào)節(jié)的切換。當(dāng) KEY_SEL=0 時，控制器切換到自動速度調(diào)節(jié)檔；當(dāng) KEY_SEL=1 時，控制器切換到手動速度調(diào)節(jié)檔。相關(guān)的程序段如下：（1）實體定義PORT ( KEY: IN STD_LOGIC_VECTOR ( 4 DOWNTO 0 );S: IN STD_LOGIC_VECTOR ( 2 DOWNTO 0 );遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第20頁 KEY_SEL : IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR ( 2 DOWNTO 0 );（2）進程描述PROCESS (KEY , S , KEY_SEL )BEGINIF

41、 ( KEY_SEL = '0') THENQ <= S;ELSEIF KEY = "00001" THENQ <= "000"ELSIF KEY = "00010" THENQ <= "001"ELSIF KEY = "00100" THENQ <= "010"ELSIF KEY = "01000" THENQ <= "011"ELSIF KEY = "10000" T

42、HENQ <= "100"ELSEQ<="000"END IF;END IF;END PROCESS;遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第21頁圖 4.10 手動與自動變速仿真波形2、鍵盤信號的輸入該鍵盤設(shè)有六個鍵，分別是手動與自動調(diào)速模式的切換鍵 KEY_SEL 和選擇速度級別的 KEY1KEY5 五個鍵。KEY_SEL 鍵可用 J-K 觸發(fā)器 J、K 輸入端接高電平，在時鐘當(dāng)脈沖的觸發(fā)沿到來時實現(xiàn)輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)切換。KEY1KEY5 五個鍵的輸入依靠如下程序段來實現(xiàn)：（1） 實體定義PORT( KEY4,KEY3,KEY2,KEY1,K

43、EY0: IN STD_LOGIC;Q4,Q3,Q2,Q1,Q0: OUT STD_LOGIC);（2） 進程描述PROCESS (KEY4,KEY3,KEY2,KEY1,KEY0)BEGINIF KEY4 = '1' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '0' AND KEY0 = '0'THENQ4<='1' Q3<='0' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='

44、;0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '1' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '0' AND KEY0 = '0' THENQ4<='0' Q3<='1' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '1' AND KEY

45、1 = '0' AND KEY0 = '0' THENQ4<='0' Q3<='0' Q2<='1' Q1<='0' Q0<='0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '1' AND KEY0 = '0'遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第22頁 THENQ4<='0' Q

46、3<='0' Q2<='0' Q1<='1' Q0<='0'ELSIF KEY4 = '0' AND KEY3 = '0' AND KEY2 = '0' AND KEY1 = '0' AND KEY0 = '1' THENQ4<='0' Q3<='0' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='1'ELSEQ4<=

47、'1' Q3<='0' Q2<='0' Q1<='0' Q0<='0'END IF;END PROCESS;圖 4.11 鍵盤信號輸入仿真波形遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第23頁 5 系統(tǒng)硬件電路第三章已經(jīng)提到，本系統(tǒng)由控制器、光電耦合器、電機的驅(qū)動電路以及掌控電機運轉(zhuǎn)的信號源構(gòu)成?？刂破髫?fù)責(zé)將信號源送來的控制信號轉(zhuǎn)化成用于步進電機運轉(zhuǎn)的方波脈沖信號。光電耦合器使用 TLP521 光電耦合芯片負(fù)責(zé)將控制器與電機驅(qū)動電源隔離開來，防止強電流沖擊控制器導(dǎo)致控制器芯片損壞?？刂破鬏敵龅墓β视邢?，不能夠直接帶動電機，故而必須設(shè)計一個驅(qū)動電路來給電機提供足夠的功率。本文所述的驅(qū)動器面向的是一個額定電壓為 5V 的小功率步進電機，采用三極管 9013 直接驅(qū)動，由于該驅(qū)動是用于控制器工作測試的，電機并不接負(fù)載，為節(jié)約設(shè)計成本和時間起見，采用 9013 做電子開關(guān)搭成約 3.6V 的直流電壓源對步進電機作降壓驅(qū)動。系統(tǒng)電路原理圖見附錄 B。5.1 控制器電路圖 5.1控制器電路遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第24頁5.2 光電耦合電路光電耦合電路采用