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电子设计自动化技术课程课件 项目十四 步进电机控制器VHDL设计 一、项目描述 步进电机是最常用的工业控制伺服电机。 本项目是要在CPLD上设计一个三相步进电机控制驱动电路 要求具有启动/停止、连续/单步、正转/反转、8档加速/8档减速等功能。 1. 项目任务 一、项目描述 2. 项目目标 序号 类别 目 标 一 知识点 了解步进电机控制的原理 掌握独立按键控制的设计方法。 掌握状态机设计方法。 学会用VHDL语言状态机进行数字系统设计 二 技能 技能掌握由原理图文件生成VHDL程序的方法 掌握复杂时序逻辑电路的层次性设计方法 掌握原理图及VHDL混合设计方法 三 职业素养 学生的沟通能力及团队协作精神 良好的职业道德 质量、成本、安全、环保意识 二、项目资讯 三相步进电机控制由三个定子线圈组成，电机的定子分成六个等分的磁极。相邻的两个磁极之间的夹角为60°，相对的两个磁极构成一组（A-A’,B-B’,C-C’）当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿，电机转子上有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个齿之间夹角为9°。 如图所示 二、项目资讯 控制原理 （1）当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。因此，错齿是促使步进电机旋转的原因。 （2）运转速度的控制。 通过调节脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。 （3）旋转的角度控制。 本项目控制3相步进的运转，按照3相6拍方式令其正转和反转，因此在CPLD的输出口输出代码的周期T控制了电机的运转速度。 正转：A AB B BC C CA A 反转： A AB B BC C CA A 三、项目分析 1.系统功能分析 一般步进电机的控制包含脉冲发生电路、环形脉冲分配电路、控制逻辑及正反控制门、功率放大电路等多个模块。 能进行启动、停止、正转、反转、八步加减调速，并且有单步功能。 能够对键盘扫描进行消除抖动，要求软件消抖。 三、项目分析 2.硬件电路设计 8位独立按键硬件电路如图所示。 在实验开发板上用三个LED代表三对绕组对，即步进电机的三相 三、项目分析 3.软件设计思路 与项目8相同，采用自顶向下的设计方法，并采用混合设计方法。 步进电机可以分解成键盘的扫描触发、按键防抖设计、按键的扫描码编码、环形控制模块、输出驱动五大功能子模块以及一个顶层模块。 子模块全部可以采用VHDL语言来设计。顶层模块对功能子模块的连接，采用原理图设计来实现。 三、项目分析 步进电机模块框图 三、项目分析 三、项目分析 三、项目分析 三、项目分析 三、项目分析 控制信号产生模块 三、项目分析 三、环分模块 三、项目分析 三、环分模块 四、项目实施 微机一台（Windows XP系统、安装好Quartus Ⅱ5.0等相关软件） EDA学习开发板一块 USB电源线一条 ISP下载线一条。 硬件平台准备 四、项目实施——1. QuartusⅡ VHDL设计输入法 (1) 创建工程 在D:\altera\Quartus50\ example\step下建立项目step3_6，选择EPM240T100C5作为目标器件 建立并编辑dev_count.vhd、key.vhd、key_f.vhd、step3_6.vhd、stepermot.bdf四个文件。 （2）建立编辑VHDL设计文件 四、项目实施——1. QuartusⅡ VHDL设计输入法 (3) 各子模块单独编译、仿真 键盘扫描计数器仿真结果 键盘扫描仿真结果 四、项目实施——1. QuartusⅡ VHDL设计输入法 键盘代码转换仿真结果 键盘消抖仿真结果 四、项目实施——1. QuartusⅡ VHDL设计输入法 KEY_al8总仿真结果 键盘控制信号仿真结果 四、项目实施——1. QuartusⅡ VHDL设计输入法 步进电机输出仿真结果 四、项目实施——1. QuartusⅡ VHDL设计输入法 (4) 建立编辑顶层原理图设计文件 右键点击seccount.vhd，在弹出的菜单中选择Create Symbol Files for current File，创建seccount.vhd文件的图元 右键点击key4*4.vhd，在弹出的菜单中选择Create Symbol Files for current File，创建key_al8.vhd文件的图元 创建顶层原理图文件step3_6.bdf，在原理图编辑窗口双击鼠标左键，在弹出的Symbol窗口中的Library栏中，单击Pro