数电实习报告三相步进电机控制器设计.docx

1、数电实习报告三相步进电机控制器设计三相步进电机控制器设计一、 设计任务及要求：设计任务： 1、输入信号：四个控制开关S1、S2、S3（开关拨下时S0，开关拨上时S1，）和一个外部的时钟源。其中：（1）、系统上电后，若S11，S21时，电机停止转动，步数清零（三个8421BCD数码管显示为000）；（2）、系统上电后，若S1X（无关项），S20时，电机停止转动，步数显示保持（即暂停）；（3）、系统上电后，若S10，S21时，步进电机三相三拍转动1周（360度），转动完成后停止，停止以后再操作S1、S2、S3无效，直至重新上电后才能从头工作；（4）、系统正常工作时，若S30时，步进电机正转，S31

2、时，步进电机反转。2、外部输入脉冲信号时钟源（50MHz），经分频后产生两路5Hz信号，供主控制器和步数计数器使用。还要产生一个400Hz信号供三个7段数码管扫描显示使用。3、脉冲分配器将连续脉冲分配给A、B、C三相绕组，根据上面的要求，设计三相三拍控制方式，且具有正反转控制功能的脉冲分配器，即下列两种情况：（1）三相三拍正转（S3=1）（2）三相三拍反转（S3=0）其中每种状态切换时，对应电机转过1度角。4、脉冲分配输出的三路信号A、B、C分别经过脉冲放大器放大后驱动步进电机的三相绕组，本设计中A、B、C分别用三个LED显示。5、输出3组8421BCD信号（每组4个输出端），并在FPGA内部

3、经过译码后获得七段LED显示码，并通过扫描方式在三个发光LED显示数码光上显示歩进电机的步数（即角度数）。三个数码管共享7位数据线，依靠扫描方式工作，用来计数电机步数或角度数（此处电机转一步即一度）。根据要求3中所述，数码管计数显示000360之间的数字。设计要求：1、 按照现代数字系统的Top-Down模块化设计方法，提出步进电机控制系统的整体设计方案，并进行正确的功能划分，分别提出并实现主控制器、分频器、步数计数器、扫描显示译码模块等四部分模块化子系统的设计方案。2、 在Quartus的EDA设计环境中，采用原理图和Verilog语言混合输入的方法，完成系统的顶层设计、各子系统的模块化设计

4、。分别完成各个基于Verilog语言实现的子模块（包括分频器、步数计数器、主控制器、扫描显示译码四部分）的逻辑功能仿真，并对顶层设计进行功能和时序仿真。 3、 在2步的基础上，采用Altera公司的CPLD器件EP1C12F324C8对顶层设计进行适配（Fit Design），生成下载文件。4、 采用DownLoad软件将设计的JED文件烧录到试验板的芯片上，实际测试。二、设计原理与方案：（一）、顶层设计方案：设计原理图如下所示：该控制器共含有四大部分：主控制器、步数计数器、译码扫描显示电路、分频器。分频器由时钟源输入50MHz的脉冲，经过分频器可分频为5Hz和400Hz频率的脉冲，输入给下一

5、级电路。主控制器部分根据外部输入的控制按键控制电机的转动方向，根据输入的脉冲控制电机的转动频率，并显示相序的变化。同时向步数计数器输出控制数值，以使步数计数器与主控器同步。另外在主控制器中还应有一个控制端来接收计数器的反馈，使电机在转动360度后能够停止转动。计数器部分根据分频器输入的脉冲数进行计数，并由主控制器的输出来控制其是否计数以及清零、暂停等功能。同时当记数到360步后反馈给主控制器一个控制值使其控制电机停止转动。将计数的数值输出给译码扫描电器。译码扫描电路中由分频器的400Hz脉冲控制数码管的扫描频率。根据计数器的数值通过4-7译码器显示到数码上。（二）、控制器设计方案： 设计思路：

6、控制器共有五个输入端口，分别为Clk、s1、s2、s3、k。Clk为脉冲输入端口。Clk为输入脉冲，为5Hz，由分频器输入。k为计数器的返回值，在步数达到360时，该值有效，电机停转。s1、s2、s3为三个控制键的输入在不同的情况下执行不同的动作，如下：（1）、系统上电后，若S11，S21时，电机停止转动，步数清零;（2）、系统上电后，若S1X（无关项），S20时，电机停止转动，步数显示保持（即暂停）；（3）、系统上电后，若S10，S21时，步进电机三相三拍转动1周（360度），转动完成后停止，停止以后再操作S1、S2、S3无效，直至重新上电后才能从头工作；（4）、系统正常工作时，若S30时，

7、步进电机正转，S31时，步进电机反转。控制器共有四个输出端口，分别为xiang、key1、key2、key3。 key1、key2、key3控制计数器与电机同步计数和清零。xiang为三个相位的输出。主控器程序如下：module kongzhiqi(clk,s1,s2,s3,k,xiang,key1,key2,key3);input clk,s1,s2,s3,k;output 2:0xiang;output key1,key2, key3;reg key1,key2;reg 2:0xiang;reg 2:0state;reg1:0i=2d0;always (posedge clk )begin

8、 if(s1=1 & s2=1) begin key1=1b0;key2=1b0; end else if(s1=1 & s2=0) begin key1=1b1;key2=1b0; end else if(s1=0 & s2=0) begin key1=1b1;key2=1b0; end else if(s1=0 & s2=1) begin if(k=1) begin key1=1b1;key2=1b1; xiang=xiang;end else begin i=(i=2d3)? 0:(i+2d1); case(i) 2d0: begin key1=1b1;key2=1b1;xiang=3b

9、110;end 2d1: begin key1=1b1;key2=1b1;xiang=(s3=1d0)? 3b011:3b101; end 2d2: begin key1=1b1;key2=1b1;xiang=(s3=1d0)? 3b101:3b011; end endcaseendendendassign key3=s3;endmodule分频器程序如下：module fenpin(Clk,pin5,pin400 )；input Clk;output pin5;output pin400;reg 31:0 Cout1;reg 31:0 Cout2;reg Clk_En1;reg Clk_En

10、2; always (posedge Clk ) begin Cout1 = (Cout1 = 32d10000_000) ? 32d0 : (Cout1 + 32d1); Clk_En1 = (Cout1 = 32d10000_000) ? 1d1 : 1d0; end always (posedge Clk ) begin Cout2 = (Cout2 = 32d125_000) ? 32d0 : (Cout2 + 32d1); Clk_En2 = (Cout2 = 32d125_000) ? 1d1 : 1d0; endassign pin400=Clk_En2;assign pin5=

11、Clk_En1; endmodule（三）、受控器设计方案： 受控器有步数计数器和译码扫描器两个。（1）、步数计数器由主控器控制，有四个输入端，分别为Clk、key1、key2、key3。Clk为输入脉冲，为5Hz，由分频器输入，与主控器同频。key1、key2、key3为三个控制键的输入在不同的情况下执行不同的动作，如下： 、key1=0，key2=0或key2=1时，步数为零；、key1=1， key2=1时，步数在脉冲上升沿时加一；、key1=1， key2=0时，步数保持上一次的数值；在程序中，添加变量w1、w2，判断key3的值是否与上次的不同，不同则说明电机转向改变，执行步数清零，

12、重新计数。输出变量k，当计数达到360步时，添加if语句使k值会由原来的0变为1，计数停止，并且根据k值为1使计数在此后都不计数。步数计数器有四个输出端，分别为bushu1、bushu2、bushu3，k。bushu1、bushu2、bushu3为步数的8421BCD码，每一个数都是一个4位的二进制数，输出给译码扫描器。k就是反馈到主控器中的变量。（2）、译码扫描器由步数计数器控制，有四个输入端，分别为Clk，bushu1、bushu2、bushu3。bushu1、bushu2、bushu3由步数计数器输入，经过4-7译码器后将译码后的7位二进制数赋值给7位的数码管。Clk由分频器产生，经过再

13、分频后，对应输出端的del，对8个数码管进行扫描，使每个管显示不同数值。译码扫描器有两个输入端shumaguan，del。shumaguan为7位数值对应电路板上的数码管的7段显示。del端对应电路板上的3-8译码器的3个输入端，对数码管扫描。步数计数器程序如下：module jishu(Clk,key1,key2,key3,bushu1,bushu2,bushu3,k );input Clk,key1,key2,key3;output k;output 3:0bushu1;output 3:0bushu2;output 3:0bushu3;reg w1, w2,k;reg 3:0bushu1

14、;reg 3:0bushu2;reg 3:0bushu3;always (posedge Clk ) begin w2=key3; if(w2!=w1) begin bushu1=4b0000;bushu2=4b0000;bushu3=4b0000; end begin if(bushu1!=4b0|bushu2!=4d6|bushu3!=4d3) if(k=0) begin k=0; case(key1) 1b0: begin case(key2) 1b0: begin bushu1=4b0000;bushu2=4b0000;bushu3=4b0000;end 1b1: begin bush

15、u1=4b0000;bushu2=4b0000;bushu3=4b0000;end endcase end 1b1: begin if(key2=1b1) begin bushu1 =(bushu1=4b1001)? 4b0:(bushu1+4b1); if(bushu1=4b0) bushu2 =(bushu2=4b1001)? 4b0:(bushu2+4b1); if(bushu2=4b0 & bushu1=4b0) bushu3 =bushu3+4b1; w1=key3; end else begin bushu1=bushu1;bushu2=bushu2;bushu3=bushu3;e

16、nd end endcase end if(bushu1=4b0 & bushu2=4d6 & bushu3=4d3) begin bushu1=4b0000;bushu2=4b0110;bushu3=4b0011;k=1b1;end end endendmodule译码扫描器程序如下：module yima(Clk,shumaguan,bushu1,bushu2,bushu3,del );input Clk;input 3:0bushu1;input 3:0bushu2;input 3:0bushu3;output 2:0del;output 6:0shumaguan;reg 6:0shuz

17、hi;reg 2:0i; always (posedge Clk ) begin i= (i=3b010)? 3b0 : (i+3b001); end always (i) case(i) 3b000: case(bushu1) 4b0000: shuzhi = 7b0111_111; 4b0001: shuzhi = 7b0000_110; 4b0010: shuzhi = 7b1011_011; 4b0011: shuzhi = 7b1001_111; 4b0100: shuzhi = 7b1100_110; 4b0101: shuzhi = 7b1101_101; 4b0110: shu

18、zhi = 7b1111_101; 4b0111: shuzhi = 7b0000_111; 4b1000: shuzhi = 7b1111_111; 4b1001: shuzhi = 7b1101_111; endcase 3b001: case(bushu2) 4b0000: shuzhi = 7b0111_111; 4b0001: shuzhi = 7b0000_110; 4b0010: shuzhi = 7b1011_011; 4b0011: shuzhi = 7b1001_111; 4b0100: shuzhi = 7b1100_110; 4b0101: shuzhi = 7b110

19、1_101; 4b0110: shuzhi = 7b1111_101; 4b0111: shuzhi = 7b0000_111; 4b1000: shuzhi = 7b1111_111; 4b1001: shuzhi = 7b1101_111; endcase 3b010:case(bushu3) 4b0000: shuzhi = 7b0111_111; 4b0001: shuzhi = 7b0000_110; 4b0010: shuzhi = 7b1011_011; 4b0011: shuzhi = 7b1001_111; default: shuzhi = 7b0000_000; endc

20、ase default: shuzhi =7b0111111; endcase assign shumaguan=shuzhi;assign del=i;endmodule三、电路设计、仿真与实现：（一）、顶层设计实现：顶层电路图如下：图1.1 顶层电路图总程序的RTL视图： 图1.2 顶层电路RTL视图总程序的technology 视图： 图1.3 顶层电路technology视图总程序仿真波形如下： 图2.1 总程序仿真波形1该波形为s1为0，s2为1，s3为0时产生的，相序显示为正转，数码管计数并且到360后停止计数保持。（二）、控制器设计实现：分频器的RTL视图 图1.4 分频器的RT

21、L视图主控制器的RTL视图 图1.5 主控制器的RTL视图主控器的technology 视图 图1.6 主控器的technology 视图主控制器的仿真波形图2.2 主控制器的仿真波形1该波形为s1为0，s2为1，s3为0时的主控制器波形，相序显示为正转，当k变为1是相序保持。（三）、受控器设计实现： 步数计数器的RTL视图 图1.7 步数计数器的RTL视图步数计数器的仿真波形：图2.3 步数计数器的仿真波形该波形为key1为1，key2为1时，步数计数，当key3变为1时，步数清零重新计步。译码扫描器的RTL视图 图1.8 译码扫描器的RTL视图（四）、Fit Design 结果；实际DownLoad及测试结果。程序下载到电路板上，结果符合要求。当对按键无操作时，数码管显示0，相序灯前两个亮。当按下s1时，数码管从0开始计数，相序按反向顺序闪亮。此时按下s2计数保持，相序保持。 当数码管计到360时，计数停止，相序停止。当按下s1和s3时，数码管同上，相序顺序按正向闪亮，当按下s1后一段时间，再按s3时，计数器会清零重新计数。表示转向发生变化。四、分析与讨论：