课 程 设 计

课程名称_电子技术综合设计与实训

 题目名称___步进电机控制器______

学生学院_    自动化____________

专业班级_电子信息科学与技术____

学    号__**********    ________

学生姓名___陈振添_____________

指导教师____刘冰茹__ ________

2009  年  10   月  17  日

广东工业大学课程设计任务书

    设计一个步进电机控制器。

二、课程设计的要求与数据

1．控制器可控制步进电机进行正转和反转； 

2．设置一个开关，使控制器控制电机具有三相六拍、三相三拍两种工作方式；

3．设计步数显示和步数控制电路，能控制步进电机运转到预置的步数时即停止转动；

4. 应有启动、停止和复位功能，利用复位信号使电机恢复到初始通电相位状态。

注： 三相步进电动机有三个绕组：A、B、C，

三相六拍工作方式时，正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→…

                    反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A→…

    三相三拍工作方式时，正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→… 

                        反转通电顺序为：AB→CA→BC→AB→…

三、课程设计应完成的工作

1. 利用各种电子器件设计步进电机控制器；

  2. 利用DE2板对所设计的电路进行验证； 

  3. 总结电路设计结果，撰写课程设计报告。

四、课程设计进程安排

现代电子技术实践课程指导，谢云 等 主编. 机械工业出版社

        EDA技术与应用，江国强. 电子工业出版社

        FPGA与SOPC设计教程: DE2实践，张志刚编著. 西安电子科技大学出版社

发出任务书日期： 年 月 日 指导教师签名：

计划完成日期： 年 月 日 基层教学单位责任人签章：

主管院长签章：

步进电机控制器

摘    要 本设计是用Quartus作为开发环境，以DE2板为硬件平台实现的一个多功能步进电机控制器。设计过程方便。实现了实现了步进电机的正转反转，三相三拍，三相六拍，正转，反转等控制器的基本功能。此外，该设计还实现了步数显示和步数控制，能控制步进电机转动指定拍数后停止转动，还可以控制电机转速，具有很强的可控制性。用DE2板实现具有电路简洁，开发周期短的优点。充分利用了EDA设计的优点。开发过程用了原理图输入方法来进行描述，从底层设计，充分提高了设计者的数字逻辑设计的概念。

关键词：EDA数字电路设计，步进电机控制器，Quartus，DE2板，CPLD。

1  设计任务目的及要求

1.1设计的目的

通过这次课程设计，锻炼学生的设计数字逻辑电路的能力和解决问题的能力。并熟悉EDA开发的流程，为以后学习，工作打下基础。本设计在Multisim上实现。应用可编程逻辑器件（Programmable Logic Device PLD）实现数字系统设计和单片系统的设计，是目前利用EDA技术设计数字系统的潮流。学生在设计过程中能对一个数字系统有个很好的理解。在DE2板上进行开发，则让学生充分的发挥自己的创新能力。

1.2设计的要求

1)要求学生完成整个分析任务，确定方案，设计，仿真修改，验证，下载的设计过程。

1．控制器可控制步进电机进行正转和反转； 

2．设置一个开关，使控制器控制电机具有三相六拍、三相三拍两种工作方式；

3．设计步数显示和步数控制电路，能控制步进电机运转到预置的步数时即停止转动；

4. 应有启动、停止和复位功能，利用复位信号使电机恢复到初始通电相位状态。

2)对本次设计要有个总结，提交一份报告说明书。用以提高学生的总结，整理设计的能力。有利于学生学习的条理性

3)在学有余力的情况下，可以自己添加一些特定的功能，充分利用DE2板上的资源，提高自己的学习能力。

2  原理与模块介绍

2.1 步进电机实现三相三拍和正反转功能

该部分实现步进电机的正反转和三相三拍功能。原理图为图2.1所示。用两个7474双D触发器加逻辑门实现。每当复位端有低电平脉冲输入，该电路自动置入初始相位ABC（110）。正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→…反转通电顺序为：AB→CA→BC→AB→…

图2.1

2.2步进电机实现三相六拍和正反转功能

该部分实现步进电机的正反转和三相六拍功能。原理图为图2.2所示。用两个7474双D触发器加逻辑门实现。每当复位端有低电平脉冲输入，该电路自动置入初始相位A（100）。正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→…反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A→…

图2.2

2.3输出控制模块

输出控制模块图2.3所示。采用7240三态传输门实现输出端得控制，使用三态门的好处是输出端可以直接相连，通过使能端选择要通过的信号，比如三相六拍还是三相三拍。

图2.3

2.4时钟分频模块

时钟分频模块。由CLOCK端输入系统自带时钟50MHZ,经过分频器74290。把50MHZ分频为2HZ由Q端输出,原理图如2.4所示，频率与电机转动的快慢息息相关，因此，只要改变分频器ABCDE的值设置，就可以分出不同的频率，从而可以实现步进电机转动速度的选择。

图2.4

2.5步数显示和步数控制电路

步数显示和步数控制电路采用74190加减计数器，7447译码器和数码管实现。两片74190采用串行方式接成百进制计数器，置数端LDN与步进电机的复位端相连，当步进电机复位时，计数器置入初值00重新开始计数。步数控制电路由74190的减法计数实现，由两个CLK端手动设置要转动的步数，电机启动后计数器做减法计数，计数到0时产生的借位信号作为电机停止运转的信号，从而停止转动和计数，从而实现了步数显示和步数控制电路

3  设计方案

3.1 设计思想与方案

本设计采用自顶向下的设计思想。先确定了系统的格局，再分模块实现的方案。

首先对步进电机的实际要求进行逻辑抽象，确定整个系统的输入与输出，输入有系统时钟，启动与停止，复位，工作方式选择端，正反方向控制端，置数控制及置数端。输出有A,B,C的组合来代表不仅电机的工作方式。例如正转三相三拍：（AB-BC-CA…）对应的输出为（110-011-101-110…），由输入与输出的关系，画出ABC的状态循环图及卡诺图，并设计自启动，列出正反转三相三拍、三相六拍QA、QB，QC的状态方程与驱动方程。硬件方面选择D触发器实现，根据D触发器的特性与所列出的系统方程出其逻辑图，上机仿真。

方案的亮点部分。方案完成了提高部分，实现了电机的加速和减速运转。此外，采用了三态传输门控制输出，是电路复杂程度大大缩减，充分利用了芯片的资源，减小了硬件资源。

3.2原理框图

3.3 设计的流程图

4  实验结果与数据处理

测试的方法采用波形仿真，再在DE2板上面验证。随时对电路图进行修改，直到满足设计的要求。本次设计采用分开模块仿真波形。

4.1三相三拍与正反转波形的实现（包括复位与启动）

4.2三相六拍与正反转波形的实现（包括复位与启动）

4.3实验现象

1）按下启动开始按钮，再选择三相三拍工作方式，选择正转或反转，择代表A,B,C的三展LED灯按照正转或反转的顺序轮流亮，并且百进制数码管上开始进行加法计数，代表步进电机所走的拍数。此时如果按下复位键，则数码管显示数字00，灯回到初始状态AB(110),复位按键松手后电机重新转动，计数器也跟着计数。

2）按下停止键使电机停止转动，并选择个位置数端与十位置数端把数码管置成你希望电机要转动的步数，然后在加减选择端选择减法计数，启动电机。此时电机在转动，数码管上的显示从你预置的数目开始不断的往下减，如果你预置的数目比较大，可以结合分频器选择端选择时钟频率较快端使电机快转，如果数码管上所显示的数字减到0，则电机停止转动，数码管也停止计数。

3）电机三相六拍的工作方式现象与三相三拍的类似。在此不在详细描述 

5  结论与问题讨论

5.1完成设计要求的程度

本设计在完成了基本要求的所有功能，还实现了电机的快速转动与慢速转动，即速度可调功能。

5.2遇到的问题及解决方法

1）设计电路不能自启动。

解决方法：设置一个键，具有复位与置位功能，直接将电机置入循环的有效状态中。

2）由于计数器采用串行方式连接，两个触发器不能同时跳转，当减法计数减到10时，错误的产生了“0”的信号，从而使电机停止运转。（目的是从预置数减到0后才停止运转）

解决方法：采用两片计数器的借位输出相或产生停止信号。

5.3存在的不足及改进思路

首先，由于三相三拍与三相六拍分别由两个电路图合成，所用D触发器为6个。改进思路是用三个触发器和三态传输门实现电机的所有功能，节省硬件资源。

其次，电机的步数显示和步数控制电路不是很完美，由于两片计数器采用的是74190串行连接的，两个触发器不是同时跳转，所以在数码管显示出来时进位时会稍微慢一步显示。改进方法是采用并行连接方式，步数预置采用比较器来实现，使两个触发器同时跳转。

5.4心得体会

这次EDA课程设计历时一个星期，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对EDA的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。但是在连接所有模块时总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，原理图编译就通过了，心里终于舒了一口气。在波形仿真时，也遇到了一点困难,想要的结果不能在波形上得到正确的显示，但是经过对波形的一点点分析，从错误中思考产生错误的原因，修改电路图。当修改完成后，看到正确的仿真结果，心理别提有多高兴！

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

总的来说，这次设计的步进电机控制电路还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在自己的思考下，宿舍大家一起经过激烈的探讨下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对刘冰茹老师表示忠心的感谢，老师，你辛苦了！

参考文献

[1]阎石 数字电子技术基础  高等教育出版社 2006.5

[2] 刘昌华  数字逻辑EDA设计与实践——MAX+plusⅡ与QuartusⅡ双剑合璧

国防工业出版社

附录 

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