EDA技术应用项目14电子件.

电子设计自动化技术课程课件电子设计自动化技术课程课件项目十四项目十四 步进电机控制器步进电机控制器VHDLVHDL设计设计 一、项目描述一、项目描述n 步进电机是最常用的工业控制伺服电机。n 本项目是要在CPLD上设计一个三相步进电机控制驱动电路n 要求具有启动/停止、连续/单步、正转/反转、8档加速/8档减速等功能。一、项目描述一、项目描述序号序号类别类别目目 标标一知识点1. 了解步进电机控制的原理2. 掌握独立按键控制的设计方法。3. 掌握状态机设计方法。4. 学会用VHDL语言状态机进行数字系统设计 二技能1. 技能掌握由原理图文件生成VHDL程序的方法2. 掌握复杂时序逻辑电路的层次性设计方法3. 掌握原理图及VHDL混合设计方法三职业素养1. 学生的沟通能力及团队协作精神2. 良好的职业道德3. 质量、成本、安全、环保意识 二、项目资讯二、项目资讯n 三相步进电机控制由三个定子线圈组成，电机的定子分成六个等分的磁极。相邻的两个磁极之间的夹角为60，相对的两个磁极构成一组（A-A,B-B,C-C）当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿，电机转子上有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个齿之间夹角为9。n 如图所示二、项目资讯二、项目资讯n 控制原理（1）当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。因此，错齿是促使步进电机旋转的原因。（2）运转速度的控制。 通过调节脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。（3）旋转的角度控制。 本项目控制3相步进的运转，按照3相6拍方式令其正转和反转，因此在CPLD的输出口输出代码的周期T控制了电机的运转速度。 正转：A AB B BC C CA A 反转： A AB B BC C CA A三、项目分析三、项目分析n 一般步进电机的控制包含脉冲发生电路、环形脉冲分配电路、控制逻辑及正反控制门、功率放大电路等多个模块。n 能进行启动、停止、正转、反转、八步加减调速，并且有单步功能。n 能够对键盘扫描进行消除抖动，要求软件消抖。三、项目分析三、项目分析n 8位独立按键硬件电路如图所示。n 在实验开发板上用三个LED代表三对绕组对，即步进电机的三相 三、项目分析三、项目分析n与项目8相同，采用自顶向下的设计方法，并采用混合设计方法。n步进电机可以分解成键盘的扫描触发、按键防抖设计、按键的扫描码编码、环形控制模块、输出驱动五大功能子模块以及一个顶层模块。n子模块全部可以采用VHDL语言来设计。顶层模块对功能子模块的连接，采用原理图设计来实现。三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析三、项目分析控制信号产生模块控制信号产生模块三、项目分析三、项目分析三、环分模块三、环分模块三、项目分析三、项目分析三、环分模块三、环分模块四、项目实施四、项目实施n 微机一台（Windows XP系统、安装好Quartus 5.0等相关软件）n EDA学习开发板一块n USB电源线一条n ISP下载线一条。四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 n 在D:alteraQuartus50 examplestep下建立项目step3_6，选择EPM240T100C5作为目标器件n 建立并编辑dev_count.vhd、key.vhd、key_f.vhd、step3_6.vhd、stepermot.bdf四个文件。四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 键盘扫描计数器仿真结果 键盘扫描仿真结果 四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 键盘代码转换仿真结果 键盘消抖仿真结果 四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 KEY_al8总仿真结果键盘控制信号仿真结果四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 步进电机输出仿真结果四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 右键点击seccount.vhd，在弹出的菜单中选择Create Symbol Files for current File，创建seccount.vhd文件的图元 n 右键点击key4*4.vhd，在弹出的菜单中选择Create Symbol Files for current File，创建key_al8.vhd文件的图元 n 创建顶层原理图文件step3_6.bdf，在原理图编辑窗口双击鼠标左键，在弹出的Symbol窗口中的Library栏中，单击Project前面的加号，在展开目录中可以找到刚才通过key4*4.vhd文件创建的3个图元。 四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 n 编辑完成顶层原理图设计文件 四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 n 整个项目全编译，并进行波形仿真四、项目实施四、项目实施1. Quartus VHDL设计输入法设计输入法 （5）引脚分配 根据设计实体结构和硬件电路要求，对引脚进行引脚分配。（6）编程下载 完成全编译，进行器件下载编程。四、项目实施四、项目实施n 电路调试：电路调试：1根据项目需要，接通电源后，观察步进电机是否停止，在矩阵键盘上只设置了5个有用的键，分别为启动/停止、八步加速调节，八部减速调节、单步，正/反转。按下相应键，观察清零是否正常。按下单步键时必须在启动/停止键为停止状态才有效，观察调节是否正常。n 故障分析及排除：故障分析及排除：1. 正反转错位时，CPLD输出与驱动要注意匹配，只需将step的输出高低电平颠倒即可。2当4*4矩阵键盘单独建立项目时，也可以采用顶层原理图设计输入法来实现，完成后再把原理图转换为VHDL语言程序，并和它的子VHDL程序一并调入步进电机控制器项目中，再分别调试编译。五、项目评价与总结提高五、项目评价与总结提高 考核点及占项目考核点及占项目分值比分值比建议考核方式建议考核方式评价标准评价标准优优良良及格及格1根据项目要求完成资讯并制订行动方案（15%）教师评价+互评项目方案可实施，计划详细，无缺陷，并有一定创新点 项目中方案可实施，无明显缺陷 项目中方案基本可实施，存在一定缺陷 2详细设计（20%）教师评价+互评数字时钟顶层原理图设计正确，各子模块VHDL程序设计无误。 数字时钟顶层原理图设计正确，各子模块VHDL程序设计基本无误。数字时钟顶层原理图设计正确，各子模块VHDL程序设计有小错误。3操作实施（30%）教师评价+自评能正确使用Quartus II软件综合、编译、仿真并下载程序到学习板，能正确调试电路，达到项目要求。能正确使用QuartusII软件综合、编译、仿真并下载程序到学习板，能正确调试电路，基本完成项目要求。能正确使用QuartusII软件综合、编译、仿真并下载程序到学习板，会调试电路。4项目总结报告（10%）教师评价格式符合标准、内容完整、有详细过程记录和分析，并能提出一些新的建议。格式符合标准、内容完整、有一定过程记录和分析。格式符合标准、内容较完整。5职业素养（25%）教师评价+自评+互评安全、文明工作，具有良好的职业操守，学习积极性高，遵守纪律，虚心好学，具有良好的团队合作精神，热心帮助同学，能用专业语言准确、流利地进行交流安全文明工作，职业操守较好，学习积极性较高，具有良好的团队合作精神，热心帮助同学，能用专业语言准确地进行交流。没出现违纪违规现象，没有厌学现象，能按照规定完成所分配的项目。表达基本清楚、准确。五、项目评价与总结提高五、项目评价与总结提高n 本该设计采用了。n Quartus II原理图VHDL混合设计的一般步骤为：建立编辑子模块VHDL文件、子模块编译、子模块仿真、子模块生成图元、顶层原理图设计、顶层编译仿真及编程下载等。在3相6拍输出的基础上，改为3相3拍。采用动态扫描电路的方法，把转速显示在数码管上，作为速度指示器。