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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要步进电机作为执行元件是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。本文以四相六线步进电机为控制对象，在分析步进电机的特点和工作原理的基础上，选用型号为TS3103TC100-3的步进电机和型号为 EP1K10T100-3的FPGA，来实现基于FPGA技术对步进电机系统的设计和控制。本文提出了用型号为EP1K10T100-3的FPGA为核心的控制方法设计四相步进电机的外围驱动电路控制系统，并利用VHDL语言编写步进电机的控制时序电路，使用四个机械式按键对步进电机进行转
2、速、方向等的控制，实现步进电机的加减速和常速步进角度的控制，步进电机最少转动1.8度。而且系统的可移植性优越，可靠性强。为了实现设计，按照FPGA设计流程进行编写和仿真实现，电路的设计和输入应用了VHDL编程语言，在Quartus II软件上进行了波形仿真，验证了设计的可行性并实现了步进电机的控制。【关键词】 步进电机、FPGA 、VHDL、仿真AbstractStepper motor as the actuator is one of the key mechanical and electrical integration products, widely used in a varie
3、ty of automatic control systems. With the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor demand grow with each passing day, has been applied in various fields of national economy.Based on the six line four phase stepper motor as the control object, based on the characteri
4、stics and working principle analysis of stepping motor, the TS3103TC100-3 model for the stepping motor and the model for the EP1K10T100-3 FPGA, to realize the FPGA technology to the design and the stepper motor control system based on. This paper presents control method for model FPGA EP1K10T100-3 a
5、s the core of the design of four phase step motor drive peripheral circuit control system, the control circuit and the use of VHDL language of the stepper motor, the use of four mechanical buttons to control the stepper motor speed, direction, realize the stepper motor acceleration speed and constan
6、t speed control of step angle of stepping motor rotation, at least 1.8 degrees. And the systems portability advantages, strong reliability. In order to realize the design, implementation and simulation program in accordance with FPGA design flow, design and input circuit used in the VHDL programming
7、 language, the wave simulation in the Quartus II software, control to validate the feasibility of the design and implementation of stepper motor.【Keywords】 stepper motor、FPGA、VHDL、Simulation目 录 专心-专注-专业一、绪论1.1 步进电机概述步进电机的原型是起源于1830年至1960年间。起初的步进电机是以控制系统为主，主要用于电话自动交换机和缺乏交流电的船舶等独立系统。20世纪60年代后期，随着永磁材料和
8、半导体技术的快速发展，步进电机的发展和应用领域也越来越广泛。从发展的趋势来看，步进电机已经能和直流电动机，交流电动机等并列，成为电动机的一种基本类型了。我国是从1958年才开始研究和制造步进电机的，当时只有些许高校才用步进电机开发研制步进电机产品。60年代末，70年代初由于我国电子工业和数字控制技术的长足发展，步进电机的生产和研究才有所突破。70年代中期步进电机也迎来了高速发展。直至80年代后期，随着微处理器的在数控系统的应用，步进电机的发展有了更广阔的空间，新品种高性能的步进电机不断被研发出来1。1.2 课题研究背景及意义步进电机的发展与计算机工业息息相关。自从计算机外围设备中的小型直流电机
9、被步进电机取代后，很快就促进了步进电动机的发展。另外，微型计算机和数字控制技术的飞速发展，也使得步进电机的应用推广到其他领域，比如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。预计未来对步进电机的研究还会继续深入下去，研究电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小，性价比更高，性能更优越。在民用设备中大量使用，如：家庭机器人，民用智能化设备。当前，最具发展前景的就是混合式步进电机。其有以下四个发展方向：（1）继续走小型化的方向发展。由于电动机应用领域的拓宽和各类整机的小型化，这就要求电动机本身也越来越小。 （2）把圆形电动机改成方形电动机。因为方形电动机的力矩要比圆形的高
10、30%-40%。 （3）对电动机进行整体设计，即把转自位置的传感器/相对编码器、减速齿轮/减机与电动机本身综合在一起设计。 （4）向三相或五相电动机方向发展。三相和五相电动机解决了目前广泛应用的二相和四相电动机震动和噪音较大的缺点。步进电机的步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。步进电机控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。所
11、以，步进电机被广泛应用于数控机床上。伴随着步进电机在发展中扮演的角色越来越重要，以及其高效，灵活和实用的特性使其发展更有前景，使得本课题研究更有意义2。1.3 本课题研究主要内容 由于现代自动化技术与智能技术的飞速发展，所以步进电机的应用也变得非常广泛。同时，近年来，随着嵌入式技术的发展，PLD（可编程逻辑器件）在速度和集成度两方面得到了飞速提升。由于它体积小、速度快、费用低、用户可对他进行读/写操作，应用领域也不断的扩大，越来越多的电子系统开始采用PLD来实现数字信号处理。由此，本文提出了用型号为EP1K10T100-3的FPGA为核心的控制方法设计四相步进电机的外围驱动电路控制系统，并利用
12、VHDL语言编写步进电机的控制时序电路，使用四个机械式按键对步进电机进行转速、方向等的控制，实现步进电机的加减速和常速步进角度的控制，步进电机最少转动1.8度。而且系统的可移植性优越，可靠性强。在设计方法上简单易行：在FPGA步进电机的控制系统中减少了控制系统设计的工作量、大大缩短研制开发周期，和节约了开发费用，而且提高了控制系统的可靠性，具有较高的使用和推广价值3。二、方案论证2.1 方案设计2.1.1 单片机控制系统方案本实验采用四相六线步进电机，四相六线步进电机比较常见，它的等效电路如图2-1所示，它有4条信号引线A、B、,通过控制这4条引线上脉冲产生的时刻，即可控制步进电机的转动。单片
13、机控制步进电机原理图如图2-2所示，通过P1.4P1.7来控制各线圈的接通与断开。P1的4脚对应步进电机的A，P1的5脚对应，P1的6脚对应B，P1的7脚对应。这4条驱动线通过ULN2003与单片机的P1.0P1.3引脚相连。图2-1 步进电机的控制等效电路 图2-2 步进电机与单片机连接原理图2.1.2 FPGA控制系统方案如图2-3为FPGA控制步进电机原理图，图2-4为步进电机驱动原理图。因其工作电压为24V，最大电流为0.3A，因此用“ULN2003”来做为驱动。通过P1.4P1.7来控制各线圈的接通与断开。开机时P1.4P1.7均为高电平，如将P1.4P1.7切换为低电平则可驱动步进
14、电机运行，但是在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向，只要改变各线圈接通的顺序。图2-3 FPGA控制步进电机原理图图2-4 步进电机驱动电路原理图 2.2 两类系统的选择FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA可以反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只
15、须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活45。总的来说，基于FPGA要比基于单片机要快很多。因为单片机是基于指令工作的，同样的激励到达单片机后，单片机首先要判断，然后读取相应的指令，最后作出响应，这每一步都是需要在单片机的时钟驱动下一步步的进行。而基于FPGA则是把相应的逻辑暂时“固化”为硬件电路了，它对激励作出的响应速度就是电信号的传播速度，当然这指的是“异步逻辑”。所以，本设计最终选择了更有发展优势的FPGA控制系统方案。三、 系统硬件描述与设计3
16、.1步进电机系统控制原理系统原理框图如图3-1所示，以型号为 EP1K10T100-3的FPGA芯片设计的步进电机驱动电路，与步进电机连接实现步进电机在步进角度、步进速度、正反转控制等方面的控制。将程序输入电脑，对FPGA进行程序编译下载，将设计好的电路板与实验板FPGA连接测试所编程是否正确，是否可以正转，反转，以及改变转动角度和速度等。 图3-1 系统原理框图步进电机是将电脉冲转化为角位移和线位移的执行元件。它并不是连续运行的而是以固定角度一步一步旋转的电动机，一般情况下每步旋转15。另外，角位移量可以通过控制脉冲个数来控制，从而达到准确定位的目的；电机的转速和加速度通过控制脉冲频率来达到
17、调速的目的；同时也可以通过脉冲“相位”控制电机正反转。步进电机可以正常启动,当光脉冲频率称为“空载启动频率”。如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能介入“失去”或“封锁”。负载的情况下,启动频率应更低,如果你想要使电机达到高速转动,脉冲频率应该加快这一进程,启动频率较低,然后在一定的高频加速度。步进电机运行速度较低,如果超过一定速度不能开始,伴随着吱吱声6。3.2 步进电机简介步进电机的驱动可以选用专用的驱动模块，如 L298N，FT 5754等，这类驱动模块接口简单，操作方便，他们既可以驱动步进电机也可以驱动直流电机，本设计中我们使用“达林顿”驱动器ULN2003。ULN2003具有电
18、流增益高，温度范围宽，带负载能力强，工作电压高等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。下面先介绍一下ULN2003芯片。UNL2003芯片封装外形图如图3-2和内部结构图如图3-3、3-4所示：该芯片是16脚七路电机驱动芯片，分直插式和贴片式。其引脚端功能及符号如表3-1。 图3-2 ULN2003芯片图3-3 ULN2003分直插式内部结构图3-4 ULN2003贴片式内部结构图 表3-1 ULN2003引脚端符号及功能引脚端序号符号功能引脚端序号符号功能11B输入9COM公共端22B输入107C输出33B输入116C输出44B输入125C输出55B输入134C输出66B输入143C输出
19、77B输入152C输出8E发射极161C输出本设计用到的步进电机实物图如图3-5。步进电机不像普通电机和直流电机一样可以在常规状态下使用，由表3-2可看出其工作电压为24V，最大电流为0.3A。所以设计其电路时必须由双环形脉冲信号和功率驱动电路等组成控制系统。如前面介绍它有A 、B、 4条信号引线,通过控制这4条引线上脉冲产生的时刻从而控制步进电机的转动。图3-5 步进电机实物图表3-2 步进电机参数表型号TS3103TC100-3步距角1.8deg相数4电压24V电流0.3A最大静转矩6.5kg/cm尺寸56.450.8mm3.3 步进电机特点以及常见问题3.3.1步进电机的特点 1、一般步
20、进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2、步进电机温度高会使磁性材料的第一电机退磁,步进电机从而导致转矩下降甚至步调不一致,所以汽车外观允许最高温度应该取决于不同的退磁磁性材料;去磁磁材料,一般来说,有些130摄氏度以上,有的甚至高达200摄氏度以上,因此步进电机出现在80 - 90摄氏度温度完全正常。3、步进电机转矩随转速的增加会减少。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反电动势就越大。的作用下,电机频率(或速度)和相电流的减少,从而导致力矩下降。4、步进电机低速可以正常运转,但如果超过一定速度无法开始,伴随着吱吱声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,
21、步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能会丢失或阻塞。在负载情况下,启动频率应更低。如果你想要使电机达到高速转动,脉冲频率应该加速过程,即启动频率较低,然后在一定的高频加速度要(电机速度从低速到高速)。步进电机以其显著的特点,在数字化制造的时代扮演了一个重要的目的。随着数字技术的发展以及步进电机本身,提高技术、步进电机将会在更多领域的应用3.3.2步进电机的常见问题（1）振荡 振荡产生的原因有很多种，其中主要的原因有步进电机处于低频单步运行；步进电动机的换向频率和转子的特征频率、倍特征频率、分数特征频率相等；步进电机突然停车等状况。另外，步进电机
22、的工作态度也会产生振动现象。（2）失步 步进电机失步一般有两种原因，一是因为转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，这时是因为输入电机的电能不足，从而引起失步；二是因为转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时是定子通电激磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，从而产生振荡，当振荡足够严重时就会产生失步。（3）阻尼方法 步进电机在运行中，振荡是它固有的特性，但也是在任何拖动系统中所不希望的。所以，需要对振荡进行抑制。抑制振荡的常用方法就是采用阻尼方法。3.4 运动速度的控制正如前文所述，步进电机的启动频率应低于空载启动频率，因此本设计采用梯形图法对步进电机
23、的加减速进行控制。输入的脉冲频率决定了步进电机的转速。如图3-6所示，T0T1时段为步进电机启动过程，脉冲频率呈线性递增。T1T2为步进电机恒速运行阶段，输入脉冲频率不变。T2T3是停止过程，脉冲频率呈线性递减。 图3-6驱动步进电机的脉冲频率的变化规律当改变输入脉冲的周期时, ABCD 四相绕组脉宽将发生变化。这就使电机转速发生变化, 所以步进电机的运动速度与输入脉冲的频率成正比。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步。2个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。脉冲分配波形图如图3-7所示。 图 3-7 脉冲分配波形图3.5 正转反转的控制
24、步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来实现, 这一过程称为“脉冲分配”。例如：四相六线步进电机通电顺序为 AB- BC- CD- DA- AB.则电机正转。如果按反序换相通电，即：步进电机通电顺序改为 AD- DC- CB- BA- AD.则电机反转。因此,可以通过FPGA 输出的方向控制信号或经编程改变输出脉冲的顺序，从而改变各绕组的通电顺序来实现电机正反转的控制7。3.6 步进度数控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，步进电机的角位移与输入的脉冲数成正比，因此可以用FPGA脉冲输出个数控制步进电机的角位移量，来实现对步进电机步进度数的控制8。 n =L/ 其中L
25、 为步进电机的输出位移量(mm）， 为机构的脉冲当量(mm/脉冲)。本系统中选用的步进电机是四相的，可工作于单拍或单拍方 式。显然，若使用单拍的工作方式，每变换次通电脉冲，电机转子所转过的角度是使用单拍方式的一半。本系统设计中选用单拍的工作方式，所对应的步距角为1.8度。对应的脉冲分配表如表3-3所列。表3-3 四相脉冲分配表节拍编码SMASMBSMCSMDn1000n+11100n+20100n+30110n+40010n+50011n+60001n+71001 3.7 FPGA逻辑功能结构及其总体设计在本次设计中我们选用型号为 EP1K10T100 - 3的FPGA现场可编程门阵列，来实现
26、对步进电机系统的设计及控制。为了简化设计，实现系统大量逻辑电路的集成，在设计中使用了现场可编程逻辑门阵列器件（FPGA）。FPGA主要实现以下逻辑功能：定时脉宽门控、计数测量、地址锁存、译码、总线的驱动和扩展以及数码显示的控制等功能。FPGA器件选择Altera公司的EPF10K10LC84-4芯片。该芯片有576个逻辑元件、72个LAB/CLB、3万多个逻辑门、6144个RAM。每个I/O引脚可以选择为集电极开路输出，可以通过编程控制每个I/O引脚的速度以及I/O寄存器的使用。FPGA按逻辑功能块的基本逻辑构造单元的大小，可分为细粒度结构和粗粒度结构；按互连结构根据FPGA内部的连线结构的不
27、同，分为分段互连型和连续互连型两类；按编程特性根据采用的开关元件的不同，可分为一次编程型和可重复编程型。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生
28、不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA使用的开发软件为QuartusII，该软件属于MAX+PLUS II的升级版，性能方面得到更好的优化，深受用户的喜爱，它是Altera公司的综合FPGA开发软件。该软件是一个支持原理图、VHDL设计输入、编译仿真集成环境。QuartusII可以在计算机各种系统中完美运行，提供了自动逻辑综合工具，具有数字逻辑设计的全部特性9。FPGA的一般设计流程图如图3-8所示。设计输入设计实现编程下载功能仿真真时序分析调试结束 图3-8 FPGA的设计流程图（1）设计输入设计输入包括使用硬件语言HDL、状态图与原理图输入三种方式、VHDL设计是现今设计大
29、规模数字集成电路的良好形式，除了IEEE标准的VHDL与Verilog DHL两种形式外，尚有各自FPGA厂家推出的专用语言，而远离输入在层顶设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。（2）设计综合综合，就是针对给定的电路实现功能和实现电路的约束条件，如速度、功耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述条件的电路设计方案。（3）仿真验证从广义上来讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软件包对己实现的设计进行完整的测试，模拟实际物理环境下的工作情况。（4）设计实现实现可以理解为利用实现的工具把逻辑映射到目标器件结构的
30、资源中，决定的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连线，并产生相关文件。通常有转换、映射、布局与布线、时序提取和配置这五个步骤。（5）时序分析在设计实现的过程中，在映射后需要对一个设计的实际功能块的延时和估计的布线延时进行时序分析：而在布局布线之后，也要对实际布局布线的功能块延时和布线延时进行静态时序分析。（6）下载验证 下载时在功能仿真与时序仿真正确的前提下，讲综合后形成的位流下载到具体的FPGA芯片中，也叫芯片配置。FPGA设计有两种配置形式：直接由计算机经过专用的下载电缆进行配置：由外围配置芯片进行上电时自动配置。因FPGA具有掉电信息丢失的性质，因此可在验证初期使用电缆直
31、接下载位流，如有必要再将烧录配置芯片中。四、 系统程序设计4.1 VHDL 语言4.1.1 VHDL简介VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。1987年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 VHDL主要用来描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多语句与硬件特性,硬件描述语言(VHDL)语言形式和风格和语法的描述非常类似于通用计算机高级语言。硬件描述语言(VHDL)程序结构特征是一个工程设计、或设计实体(可以是一个元素,一个电路
32、模块或系统)分为外部(或可见部分,端口)和内部(或无形的部分),包括实体的内部函数和算法完成的部分。在一个设计实体定义了外部界面,完成后,一旦内部发展的其他设计可以直接调用实体。设计实体可以分为内部和外部的部分系统设计的重要点是硬件描述语言(VHDL)的概念10。4.1.2 VHDL的特点VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL 语言主要具有以下优点：（1）VHDL 语言功能强大，设计方式多样硬件描述语言(VHDL)语言是一种功能强大的语言结构,只是一个简单明确的VHDL语言程序可以描述复杂的硬件电路。与此同
33、时,它也有一个多层电路设计的描述函数。此外,硬件描述语言(VHDL)语言可以同时支持同步电路、异步电路和随机电路设计实现,这是不能与其他硬件描述语言。VHDL语言设计方法是灵活的,同时支持自顶向下的设计方法,也支持自底向上的设计方法,同时支持模块化设计方法,层次结构设计方法6。（2）VHDL 语言具有强大的硬件描述能力VHDL语言多层电路设计的描述函数,可以描述系统级电路,也可以描述门级电路;描述方式这两个行为描述,寄存器传输可以用来描述或结构描述,也可以用三种方法的混合描述。同时,硬件描述语言(VHDL)语言惯性延迟和传输延迟的支持,这样我们才能准确地建立硬件电路模型。硬件描述语言(VHDL
34、)语言也反映在描述能力强,具有丰富的数据类型。硬件描述语言(VHDL)语言既支持标准定义的数据类型,也支持用户定义的数据类型,这将给硬件描述带来更大的自由。（3）VHDL 语言具有很强的移植能力硬件描述语言(VHDL)语言能力强移植主要反映在:相同硬件电路的VHDL语言描述,它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器,从综合集成装置移植到另一个或从工作平台移植到另一个平台上执行。（4）VHDL 语言的设计描述与器件无关使用硬件描述语言(VHDL)的语言来描述硬件电路,设计师不需要考虑设备的选择进行设计的。优点是能够使设计师专注于优化电路设计,并且不需要考虑其他问题。当完成后的硬件电路设计描述、硬件描
35、述语言(VHDL)语言允许使用各种不同的装置结构8。（5）VHDL 语言程序易于共享和复用使用硬件描述语言(VHDL)语言基于库(库)的设计方法。在设计过程中,设计师可以建立各种可以再次使用模块,一个大规模的硬件电路设计门级电路不能开始一步一步的进行设计,但积累的一些模块。这些模块可以预先设计或用于归档的设计模块,模块存储在库中,您可以在以后的设计重用。因为硬件描述语言(VHDL)语言是一种描述、仿真、集成、优化和布线标准硬件描述语言,所以它可以使设计结果之间的设计师容易交流和共享,从而降低硬件电路设计的工作量,缩短开发周期。4.1.3 VHDL语言的基本结构一个相对完整的VHDL程序（或称为
36、设计实体）具有比较固定的结构。至少应包括三个基本组成部分：库（Library）、程序包（Package）使用说明、实体（Entity）说明和实体对应的结构体（Architecture)说明。实体说明用于描述该设计实体与外界的接口信号说明，是可视部分；结构体说明用于描述该设计实体内部工作的逻辑关系，是不可视部分。根据需要实体还可以有配置说明语句。配置说明语句主要用于以层次化的方式对特定的设计实体进行元件例化，或是为实体选定某个特定的结构体如图4-1所示：程序包实体结构体数据流结构并行statement过程顺序statement并行statement产品接口图4-1 VHDL基本结构图4.2 系统
37、程序原理及设计框图程序设计框图如图4-2所示。其中difre1为4分频的分频器程序设计；difre2为2分频的控制器程序设计；mux4为四选一的选择器程序设计；由mux4输出一个时钟信号，即输入一个时钟信号到stepmotor，给步进电机一个脉冲信号从而驱动步进电机转动。图4-2程序设计框图五、 系统仿真与调试经过上章节对系统的硬件和软件的简介，设计，并采用了FPGA的控制系统步进电机。而对设计的系统仿真和调试将会以Quarstus软件实现。Altera公司的Quartus软件提供了可编程片上系统设计的一个综合开发环境，是进行可编程片上系统设计的基础。Quartus集成环境包括以下内容：系统级
38、设计、嵌入式软件开发，可编程逻辑器件设计，综合，布局和布线，验证以及仿真。Altera技术领先的Quartus设计软件配合一系列可供客户选择的IP核，可使设计人员在开发和推出FPGA、CPLD和结构化ASIC的设计的同时，获得无与伦比的设计性能、一流的易用性以及最短的市场推出时间。这是设计人员首次将FPGA移植到结构化ASIC中，能够对移植以后的性能和功耗进行准确的估算。Quartus软件支持VHDL的设计输入、基于图形的设计输入方式以及集成系统设计工具。Quartus软件可以将设计、综合、布局和布线以及系统严整全部都整合到一个无缝的环境中，其中还包括和第三方EDA工具的接口。我们先应用Qua
39、rtus进行仿真。步进电机时序控制器的符号如图5-1所示：图5-1 步进电机时序控制器的符号对于该控制器，我们设置的各个控制信号均是外部电键，此外CP为时钟信号RATE(1.0)调速方式为：内部数据选择器根据RATE(1.0)值将移位寄存器的时钟分别和 CP 及八进制计数器的输出端相连，以对 CP 进行 1、2、4、8 分频。STEP-OUT输出的时序通过光电耦合直接送驱动器 ULN2003，为了提高 ULN2003 的驱动能力，因此在其输出端加四个22欧的上拉电阻。在仿真过程中可在Quartus软件中来设定四相输入的电平的高低，图5-2时序脉冲分配表所示，即为在仿真时设置的脉冲分配。图5-2
40、 时序脉冲分配表将所编写程序有PC机下载到FPGA中，可得到图4-3程序仿真波形图所示一组波形，在Quartus软件中可直观看到高低电平分配情况。图5-3 程序仿真波形图六 、 总结与展望 6.1 总结本论文参考大量的国内外关于步进电机的文献的基础上，详细分析了步进电机的发展概述，并且较为详细的解析了步进电机的工作原理及步进电机的控制原理。经过比较单片机控制的步进电机，最终选择较于单片机更有优势的FPGA控制步进电机的系统来设计和研究本课题。在本次设计中我们选用了型号为TS3103TC100-3的步进电机和型号为 EP1K10T100-3的FPGA即现场可编程门阵列来实现对步进电机系统的设计和
41、控制。通过两个方案的比较最终确定了采用FPGA控制步进电机。FPGA是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，使用非常灵活，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。因此改变控制参数相当方便，只需改变程序中相应部分即可。本设计利用VHDL语言编写步进电机的控制时序电路，完成了对四相混合式步进电机的联动控制，实现了步进电机的细分驱动控制：用按键控制步进电机的速度和转动方向，按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针转一步，连续按键，不仅电机连续运转，显示器显示步进电机的状态，同时电机转动角度也可以用按键控制，最少转动1.8，实现了步进电机的精确控制
42、。6.2展望基于时间有限以及本人的知识水平有限，论文还存在很多不足和值得改进的地方，像系统的接口没设计电路以及驱动器保护电路不完善等诸多需要进一步研究及改进。虽然存在这些问题，但是这次论文经验让我对本专业知识有了进一步的补充和完善，对本专业有了更全面认识和了解，也知道了自身的很多不足，缺点。这次经验使我工作更执着、笃实、坚决，从而更有信心面对未来挑战。致 谢参考文献1 仇国庆.基于51系列单片机控制步进电机调速实验M.重庆邮电大学自动化学院,2009.2 孙宏伟. 基于FPGA的四相步进电机细分控制电路设计J.河北大学,2012.3 王鸿钰.步进电机控制技术入门M.北京：同济大学出版社，199
43、0.4 王登贵. M.微计算机信息，2006.5 朱三元.QuartusII软件操作N.计算机软件及应用，2006.6 黄露. 基于FPGA的步进电机的控制系统设计与实现J.重庆：重庆大学，2011.7 杨威. FPGA的入门教程J.电子科技大学，2008.8 诸达华. 基于FPGA设计的步进电机控制系统J.上海交通大学微电子学院,2000. 9 张少林. 基于FPGA的步进电机控制系统的数字硬件设计研究J.电子科技大学，2003.10 Chatschik BisdikianAn Overview of the Bluetooth Wireless TechnologyIEEE Commanications Magazine，Dec.2003.