564500998畢業(yè)設計（論文）基于ASIC芯片步進電機控制器設計

1、 2012屆畢業(yè)設計任務書一、課題名稱：基于asic芯片步進電機控制器設計二、指導老師：王 勇 三、設計內容與要求1、課題概述步進電動機的技術已很成熟，特別適合于小功率開環(huán)定位系統，至今還沒有能取代它的更適合產品，今后將繼續(xù)穩(wěn)步發(fā)展和完善化在功率稍大和要求高響應高速度的系統，則更多地讓位給交流伺服系統。在現代工業(yè)控制和醫(yī)療器械中廣泛的使用，但是目前主要是應用單片機進行時序控制，在應用現成的驅動器，這樣勢必會提高儀器儀表的成本和使用范圍，本畢業(yè)設計針對asic芯片來進行一個三相步進電機控制和驅動系統，系統結構簡單，體積小，成本低，移植性強。 2、設計內容與要求（1）.確定設計方案，繪制方框圖；（

2、2）.設計各部分電路，要求在一片asic芯片上實現主控制功能，驅動電路可另行設計實現，在保證實現基本功能和主要技術指標的前提下注意降低成本，以獲取較高的性價比；（3）.分析各單元電路的工作原理和特性；（4）.畫出整機電路圖，用quartus ii軟件仿真所有子電路，并在實際電路板上調試實現功能，說明電路調試的基本方法；（5）.要求設計鍵盤控制功能具有啟動/停止、連續(xù)/單步、正轉/反轉、8檔加速/8檔減速等功能，且能消除鍵盤抖動；（6）.可以使用矩陣鍵盤或者獨立鍵盤。3、技術指標：（1）.芯片選擇：cpld中的max ii某種芯片；（2）.步進電機：三相步進電機；（3）.驅動功率：加驅動芯片ul

3、n2003達5w；（4）.邏輯工作電壓：dc5v，驅動電壓12v（5）.步進精度或角度：3（6）.使用環(huán)境：-2085。（7）.要求控制與驅動之間加光耦隔離四、設計參考書及參考網址1、潘松主編eda技術與vhdl，清華大學出版社2、唐亞平主編eda技術應用，化學工業(yè)出版社3、宋振輝主編eda技術與vhdl，北京大學出版社4、徐志軍 王金明 尹廷輝編蓍eda技術與vhdl設計，電子工業(yè)出版社5、參考網址：五、設計說明書要求1、 封面2、 目錄3、 內容摘要(200400字左右，中英文)4、 正文（設計方案比較與選擇，設計方案原理、計算、分析、論證，設計結果的說明及特點）5、 結束語6、 附錄(參

4、考文獻、圖紙、材料清單等)六、設計進程安排第 1 周： 資料準備與借閱，了解課題思路。第2-3周： 設計要求說明及課題內容輔導，完成圖紙初稿。第4-6周： 進行畢業(yè)設計，完成說明書初稿。第7周： 指導老師檢查畢業(yè)設計完成情況，作好畢業(yè)答辯準備。第 8 周： 畢業(yè)答辯與綜合成績評定。七、畢業(yè)設計答辯及論文要求1、畢業(yè)設計答辯要求答辯前三天，每個學生應按時將畢業(yè)設計說明書或畢業(yè)論文、專題報告等必要資料交指導教師審閱，由指導教師寫出審閱意見。學生答辯時對自述部分應寫出書面提綱，內容包括課題的任務、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻、設計的基本內容和主要方法、成果結論和評價。答辯小組質詢課題的關鍵

5、問題，質詢與課題密切相關的基本理論、知識、設計與計算方法實驗方法、測試方法，鑒別學生獨立工作能力、創(chuàng)新能力。 2、畢業(yè)設計論文要求文字要求：說明書要求打印(除圖紙外)，不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。圖紙要求：按工程制圖標準制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準用徒手畫，必須按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。摘 要步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負

6、載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的調速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現步進電機的調速，因為步進電機每給一個脈沖就轉動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉速，從而實現步進電機的調速。cpld主要是由可編程邏輯宏單元(mc，macro cell)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中mc結構較復雜，并具有復雜的i/o單元互連結構，可由用

7、戶根據需要生成特定的電路結構，完成一定的功能。本文設計了以cpld作為核心器件種基于它的步進電機控制系統。極大地減少了外圍元件的使用。具有系統擴展性能好、可靠性高、抗干擾能力強、結構簡單、成本低廉，不占用cpu時間、易于高速控制等優(yōu)點。步進電機可在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率實現調速、快速起停、正反轉控制等。利用了這些優(yōu)點實現了cpld步進電動機控制系統的可靠工作。 關鍵詞：步進電機，控制器，cpld。abstractstepping motor is electrical impulses signal into a angular displacement or line displa

8、cement of open-loop control components。 in the overload of the circumstances, motor speed, stop location depends only on the pulse signal frequency and pulse count, and not under the influence of load changes, i.e. give motor add a pulse signal, motor is turned a step distance horns。 this first sexu

9、al relationship exists, plus the stepping motor only cyclical error without accumulative error, etc。made in speed, such as the position control field with stepper motor to control becomes very simple 。stepping motor speed control is generally change input of the stepper motor pulse frequency to achi

10、eve the stepping motor speed control, because the stepping motor for every onepulse is turning a fixed angle, which can through controlling the step motor is a pulse to the next pulse intervals to change pulse frequency, delay to the length of the specific control stepping horn to change motor speed

11、, so as to achieve the stepping motor speed control 。this article designed one kind to step-by-step the motor control system based on cpld. it takes the core component by cpld, reduced the periphery parts use enormously. has the system expansion performance to be good, the reliability is high, ant j

12、amming ability is strong, the structure is simple, the cost is inexpensive, does not take merits and so on cpu time, easy high-speed control. step-by-steps the electrical machinery to be possible to realize the velocity modulation in the broad frequency range through the change the change pulse freq

13、uency, to be fast stops, is reversing the control and so on. has realized cpld using these merits to step-by-step the motor control systems reliable work. key word: step-by-steps the electrical machinery, the controller, cpld目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1 課題的背景及其意義11.2步進電機的工作原理21.3 主要完成的工作3第2章 設計概述42.

14、1 設計要求與內容42.2 技術指標4第3章 基于asic芯片的步進電機控制器的方案設計53.1 整體設計框圖53.2方案設計與選擇53.2.1 方案一基于數字電路芯片的步進電機控制方案53.2.2 方案二 基于dsp的步進電機控制方案63.2.3 方案三 基于單片機的步進電機控制方案73.2.4 方案四 基于cpld器件步進電機控制器的設計方案73.2.5 方案的選擇8第4章 硬件電路的設計104.1 相關理論知識介紹104.1.1 maxii芯片的介紹與所用型號104.1.2 步進電機的介紹與選擇114.1.3 控制電路設計164.1.4 驅動芯片uln2003簡介164.1.5 步進電機

15、的驅動電路及原理17第5章 系統軟件設計185.1 控制器組成框圖185.2 軟件設計195.3 軟件設計模塊205.3.1 分頻計數器模塊205.3.2 按鍵掃描觸發(fā)消抖編碼模塊215.3.3 控制信號產生模塊215.3.4 環(huán)形脈沖分配模塊235.4 脈沖分配表245.5 編譯與調試24第6章 結束語25第7章 致 謝26參考文獻27附錄 28附錄a 控制電路原理圖28附錄b 程序清單32附錄b-1 分頻計數器模塊32附錄b-2 控制信號產生模塊33附錄b-3 掃描觸發(fā)消抖編碼模塊35附錄b-4 環(huán)形脈沖分配模塊38第1章 緒 論1.1 課題的背景及其意義步進電機是電機家族的“嬰兒”，20

16、 世紀 60 年代早期才開始流行。最初構想是作為昂貴的位置控制應用中伺服電機的低成本替代產品，而新興的計算機工業(yè)迅速將其采用到外設應用當中。步進電機的主要優(yōu)勢在于能提供開環(huán)位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統的幾分之一。在過去，步進電機有時被誤稱為“數字”電機，因為它們常用正交方波驅動。但是，對這些電機的這種狹隘看法常常會在以后的項目開發(fā)過程中導致大難題。步進電機像其它磁“模擬”電機一樣產生扭矩。多數步進電機的阻尼因數很低，導致一定步頻下的欠阻尼運行和對諧振問題的敏感度。這些問題常常使步進電機比其它電機拓撲更難對付。多數步進電機采用雙凸極設計，轉子和定子結構上均有齒。如同 bldc 或 pm

17、sm 電機，永久磁性位于轉子上，電磁包含在定子中。多數設計包含 2 個定子相位，由正交相位信號獨立驅動。驅動這些相位有許多方法，包括全步進、半步進或微步進，取決于使用的控制技術。每種情況下都會確定子磁通矢量，轉子上的磁性將嘗試與該矢量保持一致。由于轉子和定子的齒數不同，產生的移動或步進可能極小。對齊之后，定子電流立即按這種方式發(fā)生變化，以增加定子磁通矢量角度，從而使電機移動到下一個步進。由于多數應用中沒有位置反饋，轉子磁通可以與定子磁通保持一致，這會產生無助于電機運行的定子電流。因此，步進電機沒有其它常用電機那樣有效。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的

18、情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機的驅動電路根據步進電機控制器發(fā)出的信號工作，步進電機控制器的信號由單片機產生。步進電機控制器控制步進電機的轉向，如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 步進電機控制器控制步進電機的速度 如果給步進電機

19、發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。步進電機控制器應用廣泛,可用于內圓切片機,排線機,車邊機,眼鏡機,定長控制,包裝等機械上面。1.2步進電機的工作原理步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電

20、機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。三相發(fā)電機主要是三相交流同步發(fā)電機。其轉子通常為直流勵磁線圈產生

21、的電磁鐵，為發(fā)電機工作提供磁場。定子是在空間互差120度電角度的三相交流繞組（按照一定規(guī)律連接的線圈組稱為繞組）。直流電且由原動機帶動三相同步發(fā)電機的轉子旋轉時，轉子磁場對定子的三相繞組有相對運動，定子的三相繞組就感應三相交流電。調節(jié)轉子線圈通入直流電流的大小，可以改變定子的三相繞組電壓的大小，改變原動機的轉速，可以改變定子的三相繞組電壓的頻率。步進電機及驅動電源是互相聯系的整體。步進電機驅動電源框圖如圖所示。變頻信號源產生頻率可調的脈沖信號，調節(jié)步進電機的速度。脈沖分配器則根據要求把脈沖信號按一定的邏輯關系加到脈沖放大器上，使步進電機按確定的運行方式工作。時鐘在步進電機作為執(zhí)行元件的計算機控

22、制系統中，變頻信號源往往通過計數器來實現，脈沖分配則由擴展的并行接口芯片或gal芯片來實現。這種方法的優(yōu)點是電路結構成熟、軟件編程簡單、控制靈活、能實現圖1中的變頻信號源與脈沖分配器的作用。但它的缺點是集成度不高，硬件電路結構復雜，占用cpu的時間過多，變頻信號源脈沖分配器脈沖放大器步進電機時鐘可靠性不高。圖1-1 步進電機驅動電源框圖1.3 主要完成的工作本設計共分為7章，其中第一章為緒論，主要闡述了課題的研究背景以及意義。第二章主要介紹了設計要求與技術指標。第三章描述了asic芯片的步進電機控制器，其中主要涉及到步進電機的整體設計框圖以及方案的設計與選擇。第四章主要介紹硬件電路的設計，其中

23、包括硬件的設計和芯片的介紹。第五章詳細地介紹了軟件個模塊。第六章作為結束語，闡述了制作本文檔的心得以及收獲。第七章致謝詞，感謝老師和組員們的祝福，以及預祝自己本次答辯順利通過！第2章 設計概述2.1 設計要求與內容（1）.確定設計方案，繪制方框圖；（2）.設計各部分電路，要求在一片asic芯片上實現主控制功能，驅動電路可另行設計實現，在保證實現基本功能和主要技術指標的前提下注意降低成本，以獲取較高的性價比；（3）.分析各單元電路的工作原理和特性；（4）.畫出整機電路圖，用quartus ii軟件仿真所有子電路，并并在實際電路板上調試實現功能，說明電路調試的基本方法；（5）.要求設計鍵盤控制功能

24、具有啟動/停止、連續(xù)/單步、正轉/反轉、8檔加速/8檔減速等功能，且能消除鍵盤抖動；（6）.可以使用矩陣鍵盤或者獨立鍵盤。2.2 技術指標 （1）.芯片選擇：cpld中的max ii某種芯片；（2）.步進電機：三相步進電機；（3）.驅動功率：加驅動芯片uln2003達5w；（4）. 邏輯工作電壓：dc5v，驅動電壓12v；（5）.步進精度或角度：3（6）.使用環(huán)境：-2085；（7）.要求控制與驅動之間加光耦隔離。第3章 基于asic芯片的步進電機控制器的方案設計3.1 整體設計框圖圖3-1整體設計框圖3.2 方案設計與選擇步進電機是將電信號轉化為角位移的裝置。步進電機控制器目前主要有四種方式

25、實現，分別為基于數字電路芯片的控制器、基于dsp控制的控制器、基于單片機控制的控制器、基于cpld器件來設計asic的步進電機控制器。cpld、fpga實現的通常是純數字系統，適于處理大量的邏輯和時序問題，速度快；單片機則善于處理大量的數據和復雜的運算，而且經常可以很方便地構成模擬數字混合系統。步進電機的數字化控制將是步進電機控制器未來發(fā)展的必然趨勢。下面具體介紹四種控制方案。3.2.1 方案一基于數字電路芯片的步進電機控制方案基于數字電路芯片的步進電機控制方案，如圖3-2，步進電機控制系統主要有步進電機控制器、功率放大器及步進電機組成。步進電機控制是有緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反

26、轉控制門等組成的。他的作用就是能把輸入的脈沖轉換成環(huán)型脈沖，以便于控制步進電機，并能進行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，驅動步進電機轉動。功率放大步進電機脈沖分配振蕩脈沖方向控制圖3-2 步進電機控制器系統的組成 這種控制方式在步進電機控制器的早期歷史階段，起到了一定的作用，并滿足了當時的控制器要求。但隨著生產要求的提高，基于此芯片控制的方案其缺點日益凹現。一方面表現在技術上滿座不了生產的需求，另一方面元件太多容易出故障。3.2.2 方案二 基于dsp的步進電機控制方案基于dsp的步進電機控制方案，如圖3-3，步進電機控制系統由微處理器、脈沖分配器、驅動電路組

27、成。微處理器是產生脈沖，對機器下達命令。脈沖分配器則是分配命令，指導機器運行，其中轉向控制利用dsp的pwm口的“強制高”輸出（正轉）“和強制低”輸出（反轉）來說實現。步進電機的速度控制是通過控制dsp發(fā)出的步進脈沖頻率來實現的。通過控制dsp定時器的周期值來控制步進脈沖的頻率。步進電機脈沖分配器隔離驅動電路tms 320lf2407 a 步進脈沖 方向控制圖3-3 dsp控制四相步進電機原理圖 該方法靈活性好，抗干擾能力強，運算速度快，能實現復雜的控制系統所需求的高速度信號處理。但由于其開發(fā)工具價格高，使得dsp芯片的價格較高，對于簡單的控制系統而言，采用dsp控制顯得大材小用。目前該方案只

28、適用于精度要求高的場所。3.2.3 方案三 基于單片機的步進電機控制方案基于單片機的步進電機控制方案如圖。常用的步進電機控制系統，控制核心是微處理器，常用的8051單片機片內沒有pwm模塊需要外接8253等芯片產生脈沖信號（一般為方波信號），大帶有pwm（plus width module）模塊的單片機則可以直接輸出脈沖信號但占用軟件資源較多。脈沖信號的頻率控制步進電機的轉速，脈沖信號的個數又控制著步進電機的轉角。因此，有需要一個計數器8253對脈沖個數產生脈沖信號。驅動器部分可以對步進電機的步數進行細分并驅動電機。系統工作時，單片機需先通過計算設定計數器1和計數器0的相關參數才能保證電機的正

29、常運行，增加了軟件的運行時間，降低了系統效率，并且8253器件技術范圍有限（16位計數器），不能產生高頻，多個數的脈沖信號。步進電機驅動器單片機8051計數器8253數據總線脈沖波形計數器8253步進電機圖3-4 單片機控制步進電機原理圖3.2.4 方案四 基于cpld器件步進電機控制器的設計方案 如圖3-5，本文討論了一種基于cpld（complex programmable logic device）復雜可編程邏輯器件的步進電機控制器設計，應用一個低成本cpld 器件，就可以解決單片機pwm軟件編程和8253對脈沖計數的問題。cpld中設計了一個pwm模塊和一個計數模塊，單片機只需對cpl

30、d中的寄存器進行訪問，就可以產生一定頻率，一定占空比和一定個數的脈沖信號?？梢越档蛦纹瑱C的軟件開銷，提高系統效率。計數模塊可采用32位計數器，因此對高頻多個數的脈沖信號也有較好的支持。步進電機驅動器數據總線cpld步進電機控制器步進電機脈沖波形單片機8051圖3-5 cpld控制電路原理基于cpld器件步進電機控制器的設計方案如圖，由于單片機在抗干擾能力方面不如cpld，故吧主要任務交給cpld完成，單片機主要完成計算功能，將設置數據計算后，輸出插補器所需數據，插補器和環(huán)形分配器的實現在cpld種完成。它具有可靠性強，抗干擾能力強，系統維修方便、能耗低、高編程靈活、集成度高、設計開發(fā)周期短、適

31、用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點。3.2.5 方案的選擇（1）從技術上看，方案一、方案二、方案三和方案四都可以實現對步進電機的控制。方案一利用數字電路芯片的邏輯關系對脈沖進行分配，實現對步進電機的控制。但隨著生產要求的提高，它的靈活性和通用性滿足不了生產的需求。方案二基于dsp芯片的控制，由于dsp具有豐富的資源和強大的運算能力，目前該方案只適用于精度要求高的場所。而方案三里面常用的8051單片機片內沒有pwm模塊，需要外接8253等芯片產生脈沖信號（一般為方波信號），大帶有pwm（plus width module

32、）模塊的單片機則可以直接輸出脈沖信號但占用軟件資源較多。脈沖信號的頻率控制步進電機的轉速，脈沖信號的個數又控制著步進電機的轉角。因此，有需要一個計數器8253對脈沖個數產生脈沖信號。驅動器部分可以對步進電機的步數進行細分并驅動電機。系統工作時，單片機需先通過計算設定計數器1和計數器0的相關參數才能保證電機的正常運行，增加了軟件的運行時間，降低了系統效率，并且8253器件技術范圍有限（16位計數器），不能產生高頻，多個數的脈沖信號。方案四，應用一個低成本cpld 器件，正好解決了單片機pwm軟件編程和8253對脈沖計數的問題。它具有可靠性強，抗干擾能力強，系統維修方便、能耗低、高編程靈活、集成度

33、高、設計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點。（2）從經濟上看，數字電路芯片價格較低，而dsp由于其開發(fā)工具價格高，導致其價格較高。對于方案三來說，價格處于方案一和方案二之間，比數字芯片電路高，但相比dsp較低，而方案四略低于方案三。 所以綜合以上觀點，從芯片的性價比來考慮，選用方案四即基于cpld器件的步進電機控制方案為此次設計的主要方案。第4章 硬件電路的設計4.1 相關理論知識介紹4.1.1 maxii芯片的介紹與所用型號altera的max ii 系列cpld是有史以來功耗最低、成本最低的cpld。

34、max ii cpld基于突破性的體系結構，在所有cpld系列中，其單位i/o引腳的功耗和成本都是最低的。隨著max iiz的推出，有三種型號產品都使用了同樣的創(chuàng)新cpld體系結構：max ii cpldmax iig cpldmax iiz cpld這一瞬時接通的非易失器件系列面向蜂窩手機設計等通用低密度邏輯應用。不但具有傳統cpld設計的低成本特性，max ii cpld還進一步提高了高密度產品的功耗和成本優(yōu)勢，這樣，您可以使用max ii cpld來替代高功耗和高成本assp以及標準邏輯cpld。max ii 器件系列的高級特性max ii cpld支持高級功能集成，以降低系統設計成本。

35、這一部分介紹max ii cpld的高級特性。低功耗十分之一的功耗 (和前一代3.3v max器件相比)1.8v內核電壓降低了功耗，提高可靠性。cpld業(yè)界最低的待機規(guī)范，大大延長了電池供電時間。自動啟動/停止功能，cpld不使用時關斷。低成本體系結構以一半的價格實現四倍的密度 (和前一代 max 器件相比)通過設計，減小了管芯面積，單位i/o引腳成本在業(yè)界是最低的。高性能支持高達300 mhz的內部時鐘頻率性能加倍(和3.3-v max器件相比 )。獨特的特性板上振蕩器和用戶閃存不需要分立振蕩器或者非易失存儲器，減少了芯片數量。實時在系統可編程能力(isp)器件工作時，可下載第二個設計。降低

36、了遠程現場更新的成本。靈活的multivolt內核片內電壓穩(wěn)壓器支持3.3-v、2.5-v和1.8-v供電減少了電源數量，簡化了電路板設計。并行閃存加載程序宏功能提高了板上不兼容jtag閃存的配置效率通過max ii 器件實現jtag命令，簡化了電路板管理。i/o能力multivolt i/o支持和1.5-v、1.8-v、2.5-v以及3.3-v邏輯電平器件的接口施密特觸發(fā)器、可編程擺率和可編程驅動能力提高了信號完整性。使用方便的軟件altera免費的quartus ii 網絡版軟件支持所有的max ii cpld，優(yōu)化了引腳鎖定適配，提高了性能。quartus ii 軟件中新的max+plu

37、s ii “l(fā)ook-and-feel”選項增強了軟件的易用性。根據任務要求：芯片選擇：cpld中的max ii某種芯片；邏輯工作電壓：dc5v，驅動電壓12v使用環(huán)境：-2085。我們選擇了altera公司生產的cpld器件max ii 系列中的at488芯片進行本次設計的芯片。4.1.2 步進電機的介紹與選擇步進電動機是一種能將數字的電脈沖轉換成模擬的輸出軸運動的理想數字控制元件。它在機電一體化系統中經常用作開環(huán)的運動控制因為它具有結構簡單、價格便宜、工作可靠、維修容易等一系列優(yōu)點。 步進電動機又稱脈沖電動機。它采用變磁阻原理產生電磁轉矩，將數字電脈沖輸入轉換為模擬的輸出軸運動。旋轉式步進

38、電動機的輸出軸以等增量的轉角響應輸入脈沖序列。當控制合適時，每輸入一個脈沖，它向前轉動一步。輸出步數等于輸入脈沖個數，轉速與輸入脈沖頻率成正比。1）概況 步進電機是一種以數字脈沖信號控制的電機裝置，將相對的信號轉變?yōu)檩敵龅男D角度，每一個基本旋轉角度稱為一個步進角度，此為步進電機名稱的由來，因此它可以做精確的定位。步進電機分三種：永磁式（pm），反應式（vr）和混合式（hb）。其主要特性如下：(1)電機的旋轉角度與輸入脈沖數成比例，角度的誤差小，而且不會產生累積的誤差。(2)可以數字脈沖控制信號做開路方式控制，避免使用復雜的反饋控制電路，降低系統制作成本。(3)利用輸入脈沖的頻率高低即可做轉速

39、的調整。(4)電機的啟動、停止、加速、減速、正反轉反應快，容易控制。(5)直接連至負載如輪子，做超低速同步運轉。(6)步進電機的結構簡單，可靠性高，幾乎不需要太多的保養(yǎng)，使用壽命長。2）參數電機固有步距角：它表示控制系統每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86byg250a型電機給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。步進馬達的相數：是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進馬達。電機相數不同，其步距角也不

40、同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進馬達來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。保持轉矩（holdingtorque）：是指步進馬達通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進馬達最重要的參數之一，通常步進馬達在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進馬達的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進馬達最重要的參數之一。比如，當人們說2n.m的步進馬達，在沒有特殊說明的情

41、況下是指保持轉矩為2n.m的步進馬達。detenttorque：是指步進馬達沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。detenttorque在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進馬達的轉子不是永磁材料，所以它沒有detenttorque。3）特點1一般步進馬達的精度為步進角的3-5%，且不累積。2步進馬達外表允許的最高溫度較低。步進馬達溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進馬達外表溫度在攝氏80-90度完

42、全正常。3步進馬達的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進馬達轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或角速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4步進馬達低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進馬達有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進馬達在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。步進馬達需要與其配套

43、的伺服電機驅動器才能工作，它的最大特點是定位精確。因為這些特點，步進馬達在數字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發(fā)展以及步進馬達本身技術的提高，步進馬達將會在更多的領域得到應用。根據設計要求我們選擇了，步距角為3、工作電壓為12v的三相步進電機作為本次設計的電機。5）分類（一）反應式步進電機（variable reluctance，簡稱 vr）反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型。 （二）永磁式步進電機（permanent magnet）,簡稱pm, 永磁式步進電機的

44、轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數和定子的極數相同，所以一般步進角比較大，它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率?。ㄏ啾确磻剑?，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。（三）混合式步進電機（hybrid，簡稱 hb）混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點。混合式與傳統的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機

45、設計的，后來發(fā)現如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用。6）選擇步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。 2、靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力

46、矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓） 4、力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率

47、換算如下： p= m =2n/60 p=2nm/60 其p為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，m為力矩單位為牛頓米 p=2fm/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數（簡稱pps)7) 相步進電機的介紹根據以上的幾點，在本次設計中我們選擇的是四相步進電機。我們以下來介紹四相步進電機的工作原理：該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖4-1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。圖4-1 四相步進電機步進示意圖開始時，開關sb接通電源，sa、sc、sd斷開，b相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子

48、的1、4號齒就和c、d相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和d、a相繞組磁極產生錯齒。當開關sc接通電源，sb、sa、sd斷開時，由于c相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和c相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和a、b相繞組產生錯齒，2、5號齒就和a、d相繞組磁極產生錯齒。依次類推，a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉子會沿著a、b、c、d方向轉動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度

49、。所以選擇混八拍工作方式單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖4-2.a、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍4-2 步進電機工作時序波形圖4.1.3 控制電路設計控制電路包括cpu、復位電路、電源電路、時鐘電路、按鍵部分，圖見附錄a。 4.1.4 驅動芯片uln2003簡介 uln2003 是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅npn 復合晶體管組成。uln2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、plc、數字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域寗永^電器等負載。 輸入5vttl電平，輸出可達500ma/50v。圖4-3 uln2003實物圖4.1.5 步進電機

50、的驅動電路及原理圖4-4步進電機的驅動電路及原理cpld采用altera公司max7000系列的epm7128slc84-15。驅動電路原理圖如上圖。cpld 輸出控制信號連接至圖上的a、b、c、d四個端口。其控制信號經光電隔離后進入uln2003a。uln2003a是一片集成了7 個達林頓管的芯片。來自光耦合的5v 高電平信號經過uln2003a以后，輸出端與地導通。步進電機的正極接上12v 的工作電壓，負級接在uln2003a的輸出端，當cpld的i/o口為低電平時，步進電機的負極與地開路，正負極之間沒有壓差，電機不運轉；當cpld 的i/o口為高電平時，步進電機的負極與地導通，正負極之間

51、形成12v 壓差，電機運轉。步進電機的轉速是由四個線圈的通電速度決定的，也就是由輸入脈沖的頻率決定的，因此，步進電機的轉速選擇其實就是輸入脈沖的頻率選擇。頻率源為maxii 芯片上的48mhz這些頻率通過軟件分頻，21分頻器選擇輸入至cpld 的i/o 口就能進行電機轉速的控制了。第5章 系統軟件設計5.1 控制器組成框圖本設計中的步進電機控制器功能完善，移植性很強，下面是設計的方框圖：圖5-1 步進電機控制器方框圖方框 1 中的時鐘發(fā)生電路是晶體振蕩器產生，要求頻率要穩(wěn)定，頻率的穩(wěn)定度決定步進電機的精準度，它要產生三個不同頻率的時鐘分別應用不同的部分，分別為 3mhz 的掃描時鐘、9khz

52、電機轉速控制時鐘、1khz 的取樣時鐘。方框 2 控制信號產生電路主要是在 1khz 的取樣時鐘內，對 3mhz 的掃描時鐘進行按鍵觸發(fā)，按鍵消抖，按鍵編碼，按鍵功能的產生來進行設計，要求產生啟停信號，多級加減調速，單步，正反轉等常用的功能控制信號。方框 3 環(huán)形脈沖分配電路主要是完成對電機的工作方式的控制，可 以采用狀態(tài)機來設計電機的工作模式，如果是三相步進電機可以設計為單三拍，雙三拍，混六拍的工作方式在此框中完成。方框 4 光耦隔離驅動電路主要完成步進電機的驅動，由于步進電機的繞組電流較大，為防止電機的頻繁啟停等對 asic 芯片的影響，在輸出端加上光電耦合器和達林頓驅動電路。本設計中方框

53、 1、4、5 為 asic 片外硬件設計，2、3 為片上硬件設計采用 vhdl 語言來完成設計。下圖5-2 為硬件軟件資源規(guī)劃分配圖圖5-2 硬件軟件資源規(guī)劃圖對于 asic 芯片的設計開發(fā)，開發(fā)者可以不必了解芯片的內部結構，只需查看芯片手冊，看引腳功能，芯片可用宏單元個數和引腳數等就可以開發(fā)設計，本設計在 max ii 芯片上進行，此芯片有192個宏單元，80 個用戶可用的引腳，最快速度可以達到 4.7ns,開發(fā)后，本項目只占用 29%的宏單元，和15%的引腳資源，器件邏輯宏單元使用率不高，實際中可以采用其他芯片替代，節(jié)約成本。5.2 軟件設計根據圖 2 的規(guī)劃，本 控制器設計的軟件就是對

54、asic 內的功能來進行設計，使 用 vhdl語言來實現框內四大模塊功能。下圖5-3是在cpld上總程序設計圖：圖5-3 cpld上總程序設計圖5.3 軟件設計模塊 根據圖5-3 的規(guī)劃，本控制器設計的軟件就是對 asic 內的功能來進行設計，使 用 vhdl語言來實現框內四大模塊功能。 5.3.1 分頻計數器模塊本模塊主要是產生其他各個模塊所需的時鐘信號，減少原始輸入時鐘的種類，本設計采用大于3mhz 時鐘頻率輸入產生3mhz 掃描時鐘、9khz 步進電機調速時鐘,1khz 取樣時鐘輸出，下面給出的是分頻計數的原理圖：圖5-4 分頻計數模塊的原理圖該模塊的引腳定義如下：clk:模塊的時鐘輸入

55、；clk_3m:掃描時鐘頻率；clk_1k:取樣時鐘頻率；clk_9k;步進電機調速時鐘頻率；從圖所知，我們對于輸入的時鐘頻率必須大于3mhz，我們從晶震芯片上得知，我們的輸入時鐘頻率為48mhz，再經過21分頻，分別在第5位得到3mhz，第14位得到9khz，第16位得到1khz。 其模塊的仿真圖如下圖5-6所示圖5-5 分頻計數模塊仿真圖5.3.2 按鍵掃描觸發(fā)消抖編碼模塊本模塊主要是實現按鍵掃描，延時消抖，編碼譯碼的功能，下面給出的是按鍵掃描觸發(fā)消抖編碼原理圖圖5-6 按鍵掃描觸發(fā)消抖編碼原理圖 該模塊引腳定義：clk_3m:3mhz掃描時鐘輸入；clk_1k:1khz取樣時鐘輸入；col7.0:八個獨立按鍵butt_code3.0:key_valid:從圖所知其模塊的仿真圖如下所示:5.3.3 控制信號產生模塊本模塊主要是根據按鍵輸入的不同對按鍵設置各種功能，產 生各種控制信號，主 要有這樣的控制鍵，啟動停止，正轉反轉，連續(xù)單步，加減調速等，下面給出的是控制信號產生的原理圖：圖5-7 控制信號產生模塊該模塊的引腳定義：key3.0:key_valid:start_stop:啟動停止信號step_p:np:正反轉up_down2.0:從圖所知該模塊的仿真圖如下所示圖5-8 仿真圖5.3.4 環(huán)形脈沖分配模塊本模塊主要針對控制信號完成步進電機不