vhdl步进电动机控制器的设计
摘 要本文是基于VHDL步进电动机控制器的设计和实现，以FPGA为核心器件，通过计算机将所编写的程序下载到FPGA上，使得该控制器实现速度控制，工作方式的选择等多种功能。如果要想完成基于VHDL步进电机控制器的设计，首先要进行对FPGA有一定的了解，并且按照FPGA设计所规定的流程进行编写程序和对其进行调试。研究了基于FPGA硬件电路设计方法，及各个模块的作用。本次毕业设计是对四相五线步进电机设计中的应用。在工业生产和一些智能化仪表步进电机应用广泛。它是一种数字脉冲信号来控制电机的装置，它是相对变化的信号作为输出的旋转角度。
Keywords: FPGA Stepper motor VHDL 目录
１．绪论 1
1.1课题研究的背景 1
1.2课题研究的目的和意义 1
1.3步进电机的特点和应用 2
２．FPGA开发入门设计及工具 3
2.1 FPGA技术的发展历史和动向 3
2.2 FPGA设计流程 4
2.3 QuartusⅡ开发软件 5
2.3.1 QuartusⅡ软件的特点 5
2.3.2 QuartusⅡ软件的设计流程 5
2.4VHDL程序基本结构 6
3．控制系统硬件电路 8
3.1硬件电路设计图 8
3.2 FPGA最小系统设计 8
3.2.1 MAXⅡ系列EPM240T100C5 8
3.2.2电源电路、时钟电路及JTAG电路 8
3.3步进电机原理及驱动电路 11
3.4数码管显示电路设计 13
3.5单键电路设计 14
4.控制系统软件设计 16
4.1顶层文件设计 16
4.2分频模块设计 16
4.3步进电机控制模块设计 17
4.4数码管显示模块设计 18
5.系统调试 20
5.1硬件调试过程 20
5.2软件调试过程 20
5.2.1软件编译过程 20
5.2.2脚的设定 20
5.2.3顶层文件下载 22
/> 5.3实验现象及分析 22
结语 25
参考文献 26
附录 27
附录一：原理图 27
附录二 ：程序代码 28
致谢 35
１．绪论
1.1课题研究的背景
随着电子技术计算机技术发展非常迅猛，集成电路生产的工艺要求也在不断的提高和设计的技术也在日趋进步和完善，许多仪器和仪器设备向数字化和智能化方向发展。FPGA是1985年Xilinx公司所推出的。FPGA从一开始的1200个现场可编程逻辑器件的逻辑大门，在90年代逐渐发展到250000个逻辑大门，直至现在著名厂商Altera和Xilinx两家公司，他们逐渐又推出数百万的FPGA芯片，直接将FPGA的集成度提高到一个新的境界。
随着科技的越来越发展，基于FPGA开发板上的数字系统的发展已被广泛应用于通信，航空航天，医疗电子的许多领域，工业控制等。现场可编程门阵列（FPGA）一般是用在cmossram编程技术，它的内部结构一般由三部分组成，结构逻辑模块，可配置的输入输出模块和可编程互连资源，它具有集成度高，快速编程，设计灵活，具有改造和开发工具智能化特征。
步进电机是一种执行元件使用比较普遍且比较容易正确控制，其步进电机控制方法有很多种。基于FPGA技术来控制步进电机的速度，可以满足现代工业对高的步进电机的要求。首先，FPGA运行的速度非常快，成本相对比较低。在FPGA引脚较多，但能够容易实现大系统的集成。FPGA具有丰富的I/O资源，可以用来连接外围设备与不同的I / O非常方便。FPGA不但在不同逻辑时可以并行执行，而且还可以同时处理不同任务，使FPGA的工作效率大大提高。其中FPGA有大量的软核,易于进行二次开发。
1.2课题研究的目的和意义
随着电子技术的不断发展， FPGA和CPLD的出现，使得电子系统的设计者利用与器件相对应的电子设计出软件，就可以用硬件描述语言（HDL）来描述硬件的电路。现在，大多数数字集成电路的设计都是用VHDL语言来编写和设计。VHDL工业标准语言是主要用来描述从抽象到具体级别的硬件，现已经成为 IEEE 所承认的标准硬件描述语言。 VHDL具有描述能力和循环寿命长，支持大型工程和设计复用和分解等。
本文采用FPGA来控制步进电机。步进电机控制系统主要由步进电机方向设定和加减速构成。前一个部分是设定工作使电机完成旋转方向，后一部分是用于对换算后的步进电机转速输出。步进电机控制器系统作为一个整体的两个点是困难。首先是步进电机的加速和减速控制部分，其次是步进电机的正反转控制。步进电机的运动一般有减速，速度，加速度三个阶段。要求步进电机在加减速过程中时间尽量的短，但步进电机在匀速过程中时间要尽量长。
1.3步进电机的特点和应用
从步进电机的工作原理上来讲，它是一种低速同步电动机，在驱动器的影响下使步进电机更加步进化和数字化。步进电机其实就是一种机电元件将其电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移，当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号时，步进电机就按所设定的方向转动一个固定的角度，这一步的操作步骤是按照固定点的角度旋转。步进电机要达到准确定位和调速的目的，主要是通过改变脉冲的个数来控制它的角位移量和改变它脉冲的频率来改变电机转动的速度和加速度。实现良好的定位精度和可不参与伺服系统不太复杂的反馈回路的情况下，具有高性能价格比的优势，易控制等优点，在数控民用，工业用经济型开环定位系统的广泛使用，具有很高的实用价值。
步进电机和普通电机都不一样的是一个由脉冲信号控制步进电机动。它是靠环形分配器通过放大功率使励磁绕组按顺序接通电源。频率增高其转速就越大。
综合设计的电机，转子位置传感器，减速器和电机设计集成在一起，它可以很容易地形成一个闭环系统，使控制性能更加优越。
２．FPGA开发入门设计及工具
本章内容主要介绍了FPGA的发展及入门设计、了解怎样使用QuartusⅡ软件和使用VHDL编程。使用VHDL硬件描述语言进行编写程序，实现控制要求。
2.1 FPGA技术的发展历史和动向
在科学技术的不断发展，数字电路的应用日益广泛。现在，大规模集成电路和超大规模集成电路技术已经成为高科技研发领域的基础。集成电路发展到现在，主要有处理器，存储器和逻辑器件三种类型的电子设备。逻辑器件分成两大类：
Keywords: FPGA Stepper motor VHDL 目录
１．绪论 1
1.1课题研究的背景 1
1.2课题研究的目的和意义 1
1.3步进电机的特点和应用 2
２．FPGA开发入门设计及工具 3
2.1 FPGA技术的发展历史和动向 3
2.2 FPGA设计流程 4
2.3 QuartusⅡ开发软件 5
2.3.1 QuartusⅡ软件的特点 5
2.3.2 QuartusⅡ软件的设计流程 5
2.4VHDL程序基本结构 6
3．控制系统硬件电路 8
3.1硬件电路设计图 8
3.2 FPGA最小系统设计 8
3.2.1 MAXⅡ系列EPM240T100C5 8
3.2.2电源电路、时钟电路及JTAG电路 8
3.3步进电机原理及驱动电路 11
3.4数码管显示电路设计 13
3.5单键电路设计 14
4.控制系统软件设计 16
4.1顶层文件设计 16
4.2分频模块设计 16
4.3步进电机控制模块设计 17
4.4数码管显示模块设计 18
5.系统调试 20
5.1硬件调试过程 20
5.2软件调试过程 20
5.2.1软件编译过程 20
5.2.2脚的设定 20
5.2.3顶层文件下载 22
/> 5.3实验现象及分析 22
结语 25
参考文献 26
附录 27
附录一：原理图 27
附录二 ：程序代码 28
致谢 35
１．绪论
1.1课题研究的背景
随着电子技术计算机技术发展非常迅猛，集成电路生产的工艺要求也在不断的提高和设计的技术也在日趋进步和完善，许多仪器和仪器设备向数字化和智能化方向发展。FPGA是1985年Xilinx公司所推出的。FPGA从一开始的1200个现场可编程逻辑器件的逻辑大门，在90年代逐渐发展到250000个逻辑大门，直至现在著名厂商Altera和Xilinx两家公司，他们逐渐又推出数百万的FPGA芯片，直接将FPGA的集成度提高到一个新的境界。
随着科技的越来越发展，基于FPGA开发板上的数字系统的发展已被广泛应用于通信，航空航天，医疗电子的许多领域，工业控制等。现场可编程门阵列（FPGA）一般是用在cmossram编程技术，它的内部结构一般由三部分组成，结构逻辑模块，可配置的输入输出模块和可编程互连资源，它具有集成度高，快速编程，设计灵活，具有改造和开发工具智能化特征。
步进电机是一种执行元件使用比较普遍且比较容易正确控制，其步进电机控制方法有很多种。基于FPGA技术来控制步进电机的速度，可以满足现代工业对高的步进电机的要求。首先，FPGA运行的速度非常快，成本相对比较低。在FPGA引脚较多，但能够容易实现大系统的集成。FPGA具有丰富的I/O资源，可以用来连接外围设备与不同的I / O非常方便。FPGA不但在不同逻辑时可以并行执行，而且还可以同时处理不同任务，使FPGA的工作效率大大提高。其中FPGA有大量的软核,易于进行二次开发。
1.2课题研究的目的和意义
随着电子技术的不断发展， FPGA和CPLD的出现，使得电子系统的设计者利用与器件相对应的电子设计出软件，就可以用硬件描述语言（HDL）来描述硬件的电路。现在，大多数数字集成电路的设计都是用VHDL语言来编写和设计。VHDL工业标准语言是主要用来描述从抽象到具体级别的硬件，现已经成为 IEEE 所承认的标准硬件描述语言。 VHDL具有描述能力和循环寿命长，支持大型工程和设计复用和分解等。
本文采用FPGA来控制步进电机。步进电机控制系统主要由步进电机方向设定和加减速构成。前一个部分是设定工作使电机完成旋转方向，后一部分是用于对换算后的步进电机转速输出。步进电机控制器系统作为一个整体的两个点是困难。首先是步进电机的加速和减速控制部分，其次是步进电机的正反转控制。步进电机的运动一般有减速，速度，加速度三个阶段。要求步进电机在加减速过程中时间尽量的短，但步进电机在匀速过程中时间要尽量长。
1.3步进电机的特点和应用
从步进电机的工作原理上来讲，它是一种低速同步电动机，在驱动器的影响下使步进电机更加步进化和数字化。步进电机其实就是一种机电元件将其电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移，当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号时，步进电机就按所设定的方向转动一个固定的角度，这一步的操作步骤是按照固定点的角度旋转。步进电机要达到准确定位和调速的目的，主要是通过改变脉冲的个数来控制它的角位移量和改变它脉冲的频率来改变电机转动的速度和加速度。实现良好的定位精度和可不参与伺服系统不太复杂的反馈回路的情况下，具有高性能价格比的优势，易控制等优点，在数控民用，工业用经济型开环定位系统的广泛使用，具有很高的实用价值。
步进电机和普通电机都不一样的是一个由脉冲信号控制步进电机动。它是靠环形分配器通过放大功率使励磁绕组按顺序接通电源。频率增高其转速就越大。
综合设计的电机，转子位置传感器，减速器和电机设计集成在一起，它可以很容易地形成一个闭环系统，使控制性能更加优越。
２．FPGA开发入门设计及工具
本章内容主要介绍了FPGA的发展及入门设计、了解怎样使用QuartusⅡ软件和使用VHDL编程。使用VHDL硬件描述语言进行编写程序，实现控制要求。
2.1 FPGA技术的发展历史和动向
在科学技术的不断发展，数字电路的应用日益广泛。现在，大规模集成电路和超大规模集成电路技术已经成为高科技研发领域的基础。集成电路发展到现在，主要有处理器，存储器和逻辑器件三种类型的电子设备。逻辑器件分成两大类：
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3169.html
