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文檔簡介

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 課程名稱 電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐 題目名稱 5 相 10 拍步進(jìn)電機(jī)控制器 學(xué)生學(xué)院 材料與能源學(xué)院 專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)(電子信息材料 與元器件) (2)班 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2014 年 6 月 20 日 I 廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 題目名稱 5 5 相相 1010 拍步進(jìn)電機(jī)控制器拍步進(jìn)電機(jī)控制器 學(xué)生學(xué)院 材料與能源學(xué)院 專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)(電子信息材料與元器 件) (2)班 姓 名 學(xué) 號 一、課程設(shè)計的內(nèi)容 設(shè)計一個 5 相 10 拍步進(jìn)電機(jī)控制器。 二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù) 設(shè)計要求包括: 1控制器可控制步

2、進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn); 2設(shè)置一個開關(guān),使控制器控制電機(jī)具有 5 相 10 拍 3設(shè)計步數(shù)顯示電路,顯示相應(yīng)的步數(shù); 4. 設(shè)有啟動、停止按鈕。 注: 五相步進(jìn)電動機(jī)有五個繞組: A、B、C、D、E , 五相十拍的勵磁方式是: 正轉(zhuǎn)順序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反轉(zhuǎn)順序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB II 三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作 1. 利用各種電子器件設(shè)計 5 相 10 拍步進(jìn)電機(jī)控制器; 2. 利用 DE2 板對所設(shè)計的電路進(jìn)行驗證; 3. 總結(jié)電路設(shè)計結(jié)果,撰寫課程設(shè)計報告。 摘 要 本設(shè)計是用 Quartus 作為開發(fā)環(huán)境,以 DE

3、2 板為硬件平臺實現(xiàn)的一個多功能步進(jìn)電機(jī)控 制器。設(shè)計過程方便。實現(xiàn)了實現(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)計還實現(xiàn)了步數(shù)顯示和步數(shù)控制,能控制步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)動指定拍數(shù)后停止轉(zhuǎn)動,還可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,具有很強(qiáng)的可控制性。用 DE2 板 實現(xiàn)具有電路簡潔,開發(fā)周期短的優(yōu)點。充分利用了 EDA 設(shè)計的優(yōu)點。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,充分提高了設(shè)計者的數(shù)字邏輯設(shè)計的概念。 關(guān)鍵詞:EDA 數(shù)字電路設(shè)計,步進(jìn)電機(jī)控制器,Quartus,DE2 版,CPLD 目 錄 1 設(shè)計任務(wù)目的與要求.1 1.1 設(shè)計的目的.1 . . 1.

4、2 設(shè)計的要求.2 2 模塊及其原理介紹.2 2.1 步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)五相十拍和正反轉(zhuǎn)功能.2 2.2 時鐘分頻模塊.3 2.3 步數(shù)顯示和控制電路.4 2.4 啟動控制電路.4 III 3 設(shè)計方案.4 3.1 設(shè)計思想和方案.5 3.2 原理框圖.5 3.3 設(shè)計的流程圖.6 4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析.7 4.1 測試步驟.7 4.2 實驗現(xiàn)象.7 5 結(jié)論與問題討論.7 5.1 完成設(shè)計要求的程度.7 5.2 遇到的問題及解決方法.7 5.3 存在的不足和改進(jìn)思路.8 5.4 心得體會.8 . 參考文獻(xiàn).9 附錄.9 1 設(shè)計任務(wù)目的與要求設(shè)計任務(wù)目的與要求 1.1 設(shè)計的目的 通過這次課程設(shè)

5、計,鍛煉學(xué)生的獨立設(shè)計數(shù)字邏輯的設(shè)計的能力和獨立解決問題的能力。 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)計在 FPGA 上實現(xiàn)。應(yīng)用可編 程邏輯器件(Programmable Logic Device PLD)實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和單片系統(tǒng)的設(shè)計,是目 前利用 EDA 技術(shù)設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的潮流。學(xué)生在設(shè)計過程中能對一個數(shù)字系統(tǒng)有個很好的理 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 1.2 設(shè)計的要求 1) 要求學(xué)生獨立完成整個分析任務(wù),確定方案,設(shè)計,仿真修改,驗證,下載的 設(shè)計過程。 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)計步數(shù)顯示和控制電路,

6、能顯示相應(yīng)的步數(shù); 3設(shè)置一個開關(guān),使控制器控制電機(jī)具有 5 相 10 拍 4. 應(yīng)有啟動、停止功能,可以使電機(jī)啟動和停止。 2) 對本次設(shè)計要有個總結(jié),提交一份報告說明書。用以提高學(xué)生的總結(jié),整理設(shè) 計的能力。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 模塊及其原理介紹模塊及其原理介紹 2.1 步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)五相十拍和正反轉(zhuǎn)功能 該部分實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和五相十拍功能。原理圖為圖 2.1 所示。用五個 D 觸發(fā)器加邏輯門實現(xiàn)。每當(dāng)復(fù)位端有低電平脈沖輸入,該電路自動置入初始相位 ABC(11100) 。

7、正轉(zhuǎn)通電順序為: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反轉(zhuǎn)通電順序為: ABEABEADEADECDECDBCDBCABC 2 圖 2.1 2.2 時鐘分頻模塊 時鐘分頻模塊。由 CLOCK 端輸入系統(tǒng)自帶時鐘 50MHZ,經(jīng)過分頻器 74292。把 50MHZ 分頻 為 2HZ 由 Q 端輸出,原理圖如 2.2 所示,頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動的快慢息息相關(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,從而可以實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的. 圖 2.2 時鐘脈 沖輸入 端 正反 轉(zhuǎn)控 制端 復(fù)位 (11100 ) 3 2.3 步數(shù)顯示和控制電路 步數(shù)顯示和控制電路采用

8、74192 加減計數(shù)器,7447 譯碼器和數(shù)碼管實現(xiàn)。通過一系 列的與門和非門構(gòu)成的邏輯電路與 74192 的 DN 和 UP 端連接,當(dāng)按下按鈕后,74192 會進(jìn) 行減法計算。74192 和 7447 譯碼器連接使步數(shù)顯示在數(shù)碼管上。 圖 2.3 2.4 啟動控制電路 如圖 2.4,通過設(shè)定一個按鈕控制整個電動機(jī)啟動和停止。按下按鈕后,電路如初始值啟 動,再次停止電路。另外,通過一個與門將控制步進(jìn)機(jī)翻轉(zhuǎn)電路的按鈕和控制 74192 加減法 按鈕連接起來,只有兩個按鈕都按下才使步進(jìn)電機(jī)和譯碼管顯示步數(shù)同時翻轉(zhuǎn)。 圖 2.4 4 3 設(shè)計方案設(shè)計方案 3.1 設(shè)計思想與方案 本設(shè)計采用自頂向下

9、的設(shè)計思想。先確定了系統(tǒng)的格局,再分模塊實現(xiàn)的方案。 首先對步進(jìn)電機(jī)的實際要求進(jìn)行邏輯抽象,確定整個系統(tǒng)的輸入與輸出,輸入有系統(tǒng) 時鐘,啟動與停止,正反方向控制端,置數(shù)控制及置數(shù)端。輸出有 A,B,C,D,E 的組合來代 表不僅電機(jī)的工作方式。例如正轉(zhuǎn)五相十拍:(ABC-BC-BCD)對應(yīng)的輸出為(11100- 01100-01110-) ,由輸入與輸出的關(guān)系,畫出 ABCDE 的狀態(tài)循環(huán)圖及卡諾圖,并設(shè)計自啟 動,列出正反轉(zhuǎn)五相十拍 QA、QB,QC,QD,QE 的狀態(tài)方程與驅(qū)動方程。硬件方面選擇 D 觸發(fā)器實現(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。 3.2 原理框

10、圖 選通 置數(shù)控制 啟動與停止 時鐘分頻器 系統(tǒng)時鐘 選通 五相十拍工作 電路 7447 步數(shù)顯示 與譯碼 74190 加減計數(shù)器 置數(shù) 復(fù)位 正反方向控制端 A B C D E 5 3.3 設(shè)計的流程圖 把實際問題抽 象化,確定整 體框架與實現(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,各個擊破 脈沖分配模塊步數(shù)顯示和控 制模塊 啟動控制模塊時鐘分頻模塊 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)動方程邏輯 圖,分別上機(jī)調(diào)試,最后確定總圖 輸出 6 4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 4.1 測試步驟與實驗現(xiàn)象 1)按下啟動開始按鈕,選擇正轉(zhuǎn),擇代表 A,B,C 的三

11、盞 LED 燈亮起,然后代表 ABCDE 的五盞燈按照正轉(zhuǎn)順序依次亮起,并且百進(jìn)制數(shù)碼管上開始進(jìn)行加法計數(shù),代表步 進(jìn)電機(jī)所走的拍數(shù)。 2)按下控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)按鈕,再按下控制計數(shù)器加減法按鈕, 此時電機(jī)在反向轉(zhuǎn)動,代表 ABCDE 的五盞燈按照反向順序亮起,同時數(shù)碼管上的顯示的數(shù) 目開始不斷的往下減。 3)按下停止按鈕,此時電機(jī)不再轉(zhuǎn)動,代表 ABCDE 的五盞燈亮停止變化,譯碼管上顯示 的數(shù)字也停止變化。 5 結(jié)論與問題討論結(jié)論與問題討論 5.1 完成設(shè)計要求的程度 本設(shè)計在完成了基本要求的所有功能。 5.2 遇到的問題及解決方法 1)設(shè)計電路不能自啟動,處于五盞燈同時亮的狀態(tài)不變化。 解決

12、方法:設(shè)置一個鍵,具有啟動與置位功能,根據(jù)正轉(zhuǎn)初始狀態(tài) ABC,連接輸出端 A,B,C 的 D 觸發(fā)器的 PRN 端,連接輸出端 D,E 的 CLRN 端,設(shè)定電路初始狀態(tài)輸出為 11100。 2)電機(jī)翻轉(zhuǎn)與步數(shù)顯示加減法轉(zhuǎn)換不能同時進(jìn)行 解決方法:把電機(jī)翻轉(zhuǎn)按鈕和控制 74192 加減法按鈕用一個與門連接起來,按下兩個按鈕后,電機(jī) 與步數(shù)顯示會同時變化。 5.3 存在的不足及改進(jìn)思路 首先,這次的電路設(shè)計主要從原理出發(fā),明顯與或非門過多,顯得電路過于混亂和密集,改進(jìn)思路是 把 5 個 D 觸發(fā)器換成 3 個 7474 雙 D 觸發(fā)器連接線路,可節(jié)省硬件資源。 另外,電路過于復(fù)雜,容易出錯。改

13、進(jìn)思路是把電機(jī)電路改為使用 74154 譯碼器進(jìn)行按順序的連接 輸出端,進(jìn)行輸出分配。 7 還有,一個數(shù)碼管只能從 0 到 9,我們是用 0 代表第一步,9 代表第十步。改進(jìn)采用兩個顯示器來顯 示,做到 1 對應(yīng)第一步。 5.4 心得體會 兩周的課程設(shè)計結(jié)束了,在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識,也培養(yǎng)了我 如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中,與同學(xué)分 工設(shè)計,和同學(xué)們相互探討,相互學(xué)習(xí),相互監(jiān)督。學(xué)會了合作,學(xué)會了理解。 課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練,最讓我頭疼的是在實際操作的過程 中,我們經(jīng)常會因為一個小的失誤,比如線接錯了,有些

14、地方的線沒有接上等等問題而讓實 驗板上的燈無法亮起來。這些都是讓我始料不及的。由于不細(xì)心的地方太多,當(dāng)時甚至有過 要放棄的念頭。但是我堅持了下來,當(dāng)最終看到成果的時候,我覺得這一切都是值得的。 通過這次課程設(shè)計,通過這次五相十拍步進(jìn)電動機(jī)的電路設(shè)計,本人在多方面都有所提 高。通過這次五相十拍步進(jìn)電動機(jī)的電路設(shè)計,同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí),獨 立思考的能力也有了提高。在這次設(shè)計過程中,體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計電路的能力以及綜合運 用知識的能力,體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情,從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的 不足和薄弱環(huán)節(jié),從而加以彌補(bǔ)。 數(shù)電課程設(shè)計,不僅讓我們的知識更加牢固,還讓我意識到我們所學(xué)的知識可以與生 活緊密的聯(lián)系

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