步進(jìn)電機(jī)控制論文 步進(jìn)電機(jī)控制器.doc

步進(jìn)電機(jī)控制器 題目名稱_步進(jìn)電機(jī)控制器_ 學(xué)生學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化專升本1班學(xué) 號(hào) 11013120139學(xué)生姓名 魏許照 _2012 年 10 月 12 日一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器。二、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)1控制器可控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)； 2設(shè)置一個(gè)開關(guān)，使控制器控制電機(jī)具有三相六拍、三相三拍兩種工作方式；3設(shè)計(jì)步數(shù)顯示和步數(shù)控制電路，能控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到預(yù)置的步數(shù)時(shí)即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；4. 應(yīng)有啟動(dòng)、停止和復(fù)位功能，利用復(fù)位信號(hào)使電機(jī)恢復(fù)到初始通電相位狀態(tài)。注： 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三個(gè)繞組：A、B、C，三相六拍工作方式時(shí)，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈ABBBCCCAA 反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈CACBCBABA 三相三拍工作方式時(shí)，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈BBCCAAB 反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈BCABCAB三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1. 利用各種電子器件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制器； 2. 利用DE2板對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行驗(yàn)證； 3. 總結(jié)電路設(shè)計(jì)結(jié)果，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。查閱的資料及主要參考文獻(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐課程指導(dǎo)，謝云 等 主編. 機(jī)械工業(yè)出版社 EDA技術(shù)與應(yīng)用，江國(guó)強(qiáng). 電子工業(yè)出版社 FPGA與SOPC設(shè)計(jì)教程: DE2實(shí)踐，張志剛編著. 西安電子科技大學(xué)出版社摘 要 本設(shè)計(jì)是用Quartus作為開發(fā)環(huán)境，以DE2板為硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)多功能步進(jìn)電機(jī)控制器。設(shè)計(jì)過程方便。實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，三相三拍，三相六拍，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)等控制器的基本功能。此外，該設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了步數(shù)顯示和步數(shù)控制，能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指定拍數(shù)后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，具有很強(qiáng)的可控制性。用DE2板實(shí)現(xiàn)具有電路簡(jiǎn)潔，開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)。充分利用了EDA設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)過程用了原理圖輸入方法來進(jìn)行描述，從底層設(shè)計(jì)，充分提高了設(shè)計(jì)者的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的概念。1 設(shè)計(jì)任務(wù)目的及要求1.1 設(shè)計(jì)的目的通過這次課程設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生的獨(dú)立設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)的能力和獨(dú)立解決問題的能力。并熟悉EDA開發(fā)的流程，為以后學(xué)習(xí)，工作打下基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)在FPGA上實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用可編程邏輯器件（Programmable Logic Device PLD）實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是目前利用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的潮流。學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中能對(duì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)有個(gè)很好的理解。在DE2板上進(jìn)行開發(fā)，則讓學(xué)生充分的發(fā)揮自己的創(chuàng)新能力。1.2設(shè)計(jì)的要求1) 要求學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)分析任務(wù)，確定方案，設(shè)計(jì)，仿真修改，驗(yàn)證，下載的設(shè)計(jì)過程。1控制器可控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)； 2設(shè)置一個(gè)開關(guān)，使控制器控制電機(jī)具有三相六拍、三相三拍兩種工作方式；3設(shè)計(jì)步數(shù)顯示和步數(shù)控制電路，能控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到預(yù)置的步數(shù)時(shí)即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；4. 應(yīng)有啟動(dòng)、停止和復(fù)位功能，利用復(fù)位信號(hào)使電機(jī)恢復(fù)到初始通電相位狀態(tài)。2) 對(duì)本次設(shè)計(jì)要有個(gè)總結(jié)，提交一份報(bào)告說明書。用以提高學(xué)生的總結(jié)，整理設(shè)計(jì)的能力。有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的條理性3) 在學(xué)有余力的情況下，可以自己添加一些特定的功能，充分利用DE2板上的資源，提高自己的學(xué)習(xí)能力。2 原理與模塊介紹2.1 步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三相三拍和正反轉(zhuǎn)功能復(fù)位（100）該部分實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和三相三拍功能。原理圖為圖2.1所示。用兩個(gè)7474雙D觸發(fā)器加邏輯門實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)復(fù)位端有低電平脈沖輸入，該電路自動(dòng)置入初始相位AB（110）。正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈BBCCAAB反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈BCABCAB正反轉(zhuǎn)控制端時(shí)鐘脈沖輸入端圖2.12.2步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三相六拍和正反轉(zhuǎn)功能該部分實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和三相六拍功能。原理圖為圖2.2所示。用兩個(gè)7474雙D觸發(fā)器加邏輯門實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)復(fù)位端有低電平脈沖輸入，該電路自動(dòng)置入初始相位A（100）。正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈ABBBCCCAA反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈CACBCBABA圖2.22.3輸出控制模塊輸出控制模塊圖2.3所示。采用7240三態(tài)傳輸門實(shí)現(xiàn)輸出端得控制，使用三態(tài)門的好處是輸出端可以直接相連，通過使能端選擇要通過的信號(hào)，比如三相六拍還是三相三拍。三相三拍與六拍選擇控制端擇圖2.32.4時(shí)鐘分頻模塊時(shí)鐘分頻模塊。由CLOCK端輸入系統(tǒng)自帶時(shí)鐘50MHZ,經(jīng)過分頻器74290。把50MHZ分頻為2HZ由Q端輸出,原理圖如2.4所示，頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢息息相關(guān)，因此，只要改變分頻器ABCDE的值設(shè)置，就可以分出不同的頻率，從而可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的選擇。圖2.42.5步數(shù)顯示和步數(shù)控制電路步數(shù)顯示和步數(shù)控制電路采用74190加減計(jì)數(shù)器，7447譯碼器和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。兩片74190采用串行方式接成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，置數(shù)端LDN與步進(jìn)電機(jī)的復(fù)位端相連，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)復(fù)位時(shí)，計(jì)數(shù)器置入初值00重新開始計(jì)數(shù)。步數(shù)控制電路由74190的減法計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，由兩個(gè)CLK端手動(dòng)設(shè)置要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，電機(jī)啟動(dòng)后計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到0時(shí)產(chǎn)生的借位信號(hào)作為電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)，從而停止轉(zhuǎn)動(dòng)和計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了步數(shù)顯示和步數(shù)控制電路個(gè)位置數(shù)端十位置數(shù)端加減計(jì)數(shù)控制端高電平時(shí)使信號(hào)通過3 設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)思想與方案本設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想。先確定了系統(tǒng)的格局，再分模塊實(shí)現(xiàn)的方案。首先對(duì)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際要求進(jìn)行邏輯抽象，確定整個(gè)系統(tǒng)的輸入與輸出，輸入有系統(tǒng)時(shí)鐘，啟動(dòng)與停止，復(fù)位，工作方式選擇端，正反方向控制端，置數(shù)控制及置數(shù)端。輸出有A,B,C的組合來代表不僅電機(jī)的工作方式。例如正轉(zhuǎn)三相三拍：（AB-BC-CA）對(duì)應(yīng)的輸出為（110-011-101-110），由輸入與輸出的關(guān)系，畫出ABC的狀態(tài)循環(huán)圖及卡諾圖，并設(shè)計(jì)自啟動(dòng)，列出正反轉(zhuǎn)三相三拍、三相六拍QA、QB，QC的狀態(tài)方程與驅(qū)動(dòng)方程。硬件方面選擇D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)D觸發(fā)器的特性與所列出的系統(tǒng)方程出其邏輯圖，上機(jī)仿真。方案的亮點(diǎn)部分。方案完成了提高部分，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的加速和減速運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，采用了三態(tài)傳輸門控制輸出，是電路復(fù)雜程度大大縮減，充分利用了芯片的資源，減小了硬件資源。3.2原理框圖脈沖分配器（三相三拍，三相六拍）ABC選通正反方向控制端復(fù)位7447步數(shù)顯示與譯碼74190加減計(jì)數(shù)器置數(shù)時(shí)鐘分頻器啟動(dòng)與停止選通置數(shù)控制工作方式選擇端系統(tǒng)時(shí)鐘3.3 設(shè)計(jì)的流程圖把實(shí)際問題抽象化，確定整體框架與實(shí)現(xiàn)方案遵循自頂向下的思想，把整體方塊模塊化，分四大模塊，各個(gè)擊破脈沖分配模塊步數(shù)顯示和控制模塊輸出控制模塊時(shí)鐘分頻模塊數(shù)字邏輯化狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖電路卡諾圖狀態(tài)方程驅(qū)動(dòng)方程邏輯圖，分別上機(jī)調(diào)試，最后確定總圖輸出4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理測(cè)試的方法采用波形仿真，再在DE2板上面驗(yàn)證。隨時(shí)對(duì)電路圖進(jìn)行修改，直到滿足設(shè)計(jì)的要求。本次設(shè)計(jì)采用分開模塊仿真波形。4.1三相三拍與正反轉(zhuǎn)波形的實(shí)現(xiàn)（包括復(fù)位與啟動(dòng)）“0”表示電機(jī)反轉(zhuǎn)低脈沖復(fù)位，復(fù)位后初始相位為110“1”表示電機(jī)正轉(zhuǎn)4.2三相六拍與正反轉(zhuǎn)波形的實(shí)現(xiàn)（包括復(fù)位與啟動(dòng)）4.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1）按下啟動(dòng)開始按鈕，再選擇三相三拍工作方式，選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，擇代表A,B,C的三展LED燈按照正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的順序輪流亮，并且百進(jìn)制數(shù)碼管上開始進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，代表步進(jìn)電機(jī)所走的拍數(shù)。此時(shí)如果按下復(fù)位鍵，則數(shù)碼管顯示數(shù)字00，燈回到初始狀態(tài)AB(110),復(fù)位按鍵松手后電機(jī)重新轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)器也跟著計(jì)數(shù)。2）按下停止鍵使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并選擇個(gè)位置數(shù)端與十位置數(shù)端把數(shù)碼管置成你希望電機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，然后在加減選擇端選擇減法計(jì)數(shù)，啟動(dòng)電機(jī)。此時(shí)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)碼管上的顯示從你預(yù)置的數(shù)目開始不斷的往下減，如果你預(yù)置的數(shù)目比較大，可以結(jié)合分頻器選擇端選擇時(shí)鐘頻率較快端使電機(jī)快轉(zhuǎn)，如果數(shù)碼管上所顯示的數(shù)字減到0，則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)碼管也停止計(jì)數(shù)。3）電機(jī)三相六拍的工作方式現(xiàn)象與三相三拍的類似。在此不在詳細(xì)描述 5 結(jié)論與問題討論5.1完成設(shè)計(jì)要求的程度本設(shè)計(jì)在完成了基本要求的所有功能，還實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的快速轉(zhuǎn)動(dòng)與慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，即速度可調(diào)功能。5.2遇到的問題及解決方法1）設(shè)計(jì)電路不能自啟動(dòng)。解決方法：設(shè)置一個(gè)鍵，具有復(fù)位與置位功能，直接將電機(jī)置入循環(huán)的有效狀態(tài)中。2）由于計(jì)數(shù)器采用串行方式連接，兩個(gè)觸發(fā)器不能同時(shí)跳轉(zhuǎn)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)減到10時(shí)，錯(cuò)誤的產(chǎn)生了“0”的信號(hào)，從而使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。（目的是從預(yù)置數(shù)減到0后才停止運(yùn)轉(zhuǎn)）解決方法：采用兩片計(jì)數(shù)器的借位輸出相或產(chǎn)生停止信號(hào)。5.3存在的不足及改進(jìn)思路首先，由于三相三拍與三相六拍分別由兩個(gè)電路圖合成，所用D觸發(fā)器為6個(gè)。改進(jìn)思路是用三個(gè)觸發(fā)器和三態(tài)傳輸門實(shí)現(xiàn)電機(jī)的所有功能，節(jié)省硬件資源。其次