步进电机控制器
题目名称___步进电机控制器______ 学生学院机电工程学院
专业班级机械设计与自动化专升本1班学号 11013120139
学生姓名魏许照_________ 2012年10 月12 日
一、课程设计的内容
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。

查阅的资料及主要参考文献
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。

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，锻炼学生的独立设计数字逻辑的设计的能力和独立解决问题的能力。

并熟悉EDA开发的流程，为以后学习，工作打下基础。

本设计在FPGA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)要求学生独立完成整个分析任务，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AB （110）。

正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→…反转通电顺序为：
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。

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
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