河南科技大学
课 程 设 计 说 明 书
课程名称 EDA技术 题 目 步进电机控制
学 院 车辆与动力工程学院 班 级 学生姓名 指导教师 日 期
EDA技术课程设计任务书
班级： 姓名： 学号： 设计题目： 步进电机控制 一、设计目的
进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握EDA设计的一般方法；熟悉一种EDA软件，掌握一般EDA系统的调试方法；利用EDA软件设计一个电子技术综合问题，培养VHDL编程、书写技术报告的能力。为以后进行工程实际问题的研究打下设计基础。 二、设计任务
（1）控制步进电机的启动和停止； （2）控制步进电机的正转和反转； （3）电机速度可调并显示转速； 三、设计要求
（1）通过对相应文献的收集、分析以及总结，给出相应课题的背景、意义及现状研究分析。 （2）通过课题设计，掌握计算机组成原理的分析方法和设计方法。 （3）学习按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果。
（4）学生应抱着严谨认真的态度积极投入到课程设计过程中，认真查阅相应文献以及实现，给出个人分析、设计以及实现。
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四、设计时间安排
查找相关资料（1天）、设计并绘制系统原理图（2天）、编写VHDL程序（2天）、调试（2天）、编写设计报告（2天）和答辩（1天）。
1.江国强编著. EDA技术与实用(第三版). 北京：电子工业出版社，2011. 2 .曹昕燕，周凤臣.EDA技术实验与课程设计.北京：清华大学出版社,2006.5 3.阎石主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2003.
4.Mark Zwolinski. Digital System Design with VHDL.北京：电子工业出版社，2008 5.Alan B. Marcovitz Introduction to logic Design.北京：电子工业出版社，2003
指导教师签字： 年 月 日
步进电机控制
摘要
随着电子技术的发展，现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD的出现，使得电子系统的设计者利用与器件相应的电子设计软件，在实验室里就可以设计自己的专用集成电路ASIC器件。其中电子设计自动化（EDA）的关键技术之一就是可以用硬件描述语言（HDL）来描述硬件电路。VHDL是用来描述从抽象到具体级别硬件的工业标准语言，它是由美国国防部在80年代开发的HDL，现在已成为IEEE承认的标准硬件描述语言。VHDL支持硬件的设计、验证、综合和测试，以及硬件设计数据的交换、维护、修改和硬件的实现，具有描述能力强、生命周期长、支持大规模设计的分解和已有设计的再利用等优点。利用VHDL这些优点和先进的EDA工具，根据具体的实际要求，将设计一个步进电机控制器电路。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。也就是当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。现场可编程门阵列(FPGA)是对步进电机实现一体化控制的理想选择。
目前，步进电机在控制系统中的应用越来越广泛，由此凸现了步进电机控制的重要性。本文简单介绍了步进电机的原理和特点，并根据步进电机的特性设计了基于FPGA的控制电路：以PWM变频来控制步进电机的转速。
关键字：步进电机 电机控制 EDA技术
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目录
第一章 绪论 .................................................. 错误!未定义书签。
1.1 步进电机简介 .................................................................................... 错误!未定义书签。 1.2 步进电机控制 .................................................................................. 错误!未定义书签。 1.2.1.步进电机的起动： .......................................................................... 错误!未定义书签。 1.2.2.步进电机的换向： .......................................................................... 错误!未定义书签。 1.2.3.步进电机的转速控制： .................................................................. 错误!未定义书签。 第二章 总体设计 .............................................. 错误!未定义书签。
2.1 步进电机驱动电路: ........................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 控制模块的设计: ............................................................................... 错误!未定义书签。 2.3 程序流程图: ....................................................................................... 错误!未定义书签。 2.4 步进电机控制模块的设计: ............................................................... 错误!未定义书签。 第三章 系统程序及仿真 ........................................ 错误!未定义书签。
3.1 总体设计电路 .................................................................................... 错误!未定义书签。 3.2 程序及仿真波形 ................................................................................ 错误!未定义书签。 第四章 设计结论 .............................................. 错误!未定义书签。 第五章 参考文献: ............................................. 错误!未定义书签。
第一章 绪论
§1.1 步进电机简介
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机，在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机.
§1.2 步进电机控制
步进电机能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，不需要A/D 转换，所以被认为是理想的数控执行元件。
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§1.2.1.步进电机的起动：
步进电动机的最高起动频率（空载起动频率）一般为0.1KHz到3-4KHz，而最高运行频率则可以达到6KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现\失步\现象，甚至无法起动。因此驱动步进电机时，应当先计算出电机不失步起动的最大频率，但其计算过程涉及参量复杂，鉴于我们对其具体理论了解有限，故不能精确计算出空载起动频率，实际应用对起动段的处理是采用按直线拟合的方法，即\阶梯升速法\。可按两种情
图1.2.1 阶梯升速起动
况处理，①已知突跳频率则按突跳频率分段起动，分段数n=f/fq。②未知突跳频率，则按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量（后称阶梯频率）△f=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中，将起始的速度（频率）分为n分作为阶梯频率，采用\阶梯升速法\将速度连续升到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。如图所示。
速度从V1→V2如果是线性增加，则按给定的斜率升/降速；如果是突变，则按\阶梯升速法\处理。在此过程中要处理好两个问题：
①速度转换时间应尽量短；为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法，结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为脉冲速率。通过在不同的阶段调用相应的脉冲速率，控制电机的运行。
②保证控制速度的精确性；要从一个速度准确达到另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。
§1.2.2.步进电机的换向：
步进电机通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：四相步进电机的八拍工作方式，其各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。如果按给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如图所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小于5μs）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式.
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图1.2.2 换向信号起作用的时刻
§1.2.3.步进电机的转速控制：
步进电机的加/减速控制，实际上就是控制触发脉冲的频率，两个脉冲的间隔长短，决定了步进电机的转速。升速时，使脉冲频率增高，减速时，使脉冲频率降低。调整触发脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
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EDA步进电机控制设计
