摘 要

随着人类科技的发展，自动化生产越来越成为人们所趋向的一种比人力更加廉价且高质高效的生产方式。并且步进电机在现在的社会中运用的地方十分多，而对其进行控制的方式方法也有不同。本文通过研究可编程逻辑芯片的特性，对使其成为步进电机的控制器的核心芯片进行可行性的分析，并与作为传统步进电机控制核心的单片机作比较，得出可编程逻辑芯片在各个方面都更为优越的结论。这个结论为之后设计制作以可编程逻辑芯片为核心的步进电机控制器打下了基础。

论文主要研究了步进电机的结构及运行原理，并根据分析其运行原理提出了运用可编程逻辑芯片作为核心的一个开环控制的步进电机控制方案。本文借助quartus ii软件进行编程和仿真，通过对仿真波形的分析，得出方案理论的可行性。在实际制作当中，采用了28BYJ-48型号的步进电机，并根据仿真理论的基础对Alreta公司生产的CPLD芯片EPM570T100C5N烧写程序，经过不断调试，证明了此方案的可行性。

关键词：步进电机；可编程逻辑芯片；CPLD；quartus ii；控制器

Abstract

With the development of human science and technology, automated production has become more and more popular, and it is a cheaper, higher quality and more efficient production method. And stepper motors are used in many places in today's society, and the ways and means of controlling them are different. By studying the characteristics of programmable logic chip, this paper analyzes the feasibility of making it the core chip of the controller of stepping motor, and compares it with the single-chip microcomputer which is the control core of traditional stepping motor, and draws the programmable logic chip. All aspects are more superior conclusions. This conclusion laid the foundation for the design and manufacture of stepper motor controllers with programmable logic chips as the core.

The paper mainly studies the structure and operation principle of stepper motor, and proposes an open-loop control stepper motor control scheme using programmable logic chip as the core according to the analysis of its operation principle. In this paper, the quartus ii software is used for programming and simulation. Through the analysis of the simulation waveform, the feasibility of the scheme theory is obtained. In the actual production, the 28BYJ-48 type stepping motor was adopted, and the program of the CPLD chip EPM570T100C5N produced by Alreta was compiled according to the simulation theory. After continuous debugging, the feasibility of this scheme was proved.

Key words: stepper motor; programmable logic device; CPLD; quartus ii; controller

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2步进电机 2

1.3 CPLD相关介绍 2

1.4 Quartus II 软件介绍 2

1.5设计内容 2

第2章 相关技术论述 4

2.1步进电机的结构和运作原理 4

2.1.1混合式步进电机结构 4

2.1.2四相步进电机运转原理 5

2.1.3混合式静态运行特性 6

2.1.4混合式步进运行特性 7

2.1.5连续运行状态特性 8

2.2 28BYJ-48型步进电机介绍 8

第3章 设计与实现 10

3.1步进电机控制方案 10

3.1.1开环控制方案 10

3.1.2系统完整结构 11

3.2 CPLD开发板器件说明 11

3.3程序设计及其仿真 12

3.3.1偶数分频器模块 12

3.3.2四相八拍脉冲处理模块 14

3.3.3 正反转控制模块 18

3.3.4 PC端与CPLD串口信息传输与解析模块 19

3.3.5数码管显示模块 22

3.4 电源器件模块 26

第4章 性能分析 27

4.1整体实物组装 27

4.1.1软件烧录部分 27

4.1.2实物连线部分 27

4.2 运转步进电机 29

第5章 总结与展望 30

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1选题背景

有关步进电机的控制器可以大致分为三种：（1）使用单片机或者微处理器来进行控制；（2）使用经过专门设计电路的专用芯片作为核心制作的控制器；（3）使用DSP或者FPGA工控机来进行相关控制。在这三种控制方案中，使用经过专门设计电路的专用芯片作为核心制作的控制器中使用的专用芯片体积小、可靠性高的同时功耗更低，并且性能较高、保密性高和成本较低等等都是优势。由于此类芯片需要有工程师专门设计芯片电路，在需求量不大的时候设计成本就会很高。如果想要能有这种芯片的优点但需要为不同需求修改设计方案就需要用到可编程逻辑芯片（Programmable Logic Device， PLD），PLD的集成度一般都很高，这个条件能使设计人员自由地将一些数字系统需求通过变成将其烧制在一片PLD芯片上，这样就省去了请芯片制造厂商为需求特别进行设计和制作专用芯片，更具有实用价值。

现如今，对于步进电机控制的发展方面，国外的一个重要发展方向是专用芯片方面，在这方面可以有效提高整机的工作性能，并且还缩小了很多的体积。在这之中较为典型的有两种，一种芯片使用相关硬件和微程序作为核心来进行实现步进电机的一些合理加减速运行过程、计长走步、正反转等功能。步进电机一般是进行开环使用，对其程序指定相关参数，步进电机即可完成相关动作。比如日本的PPMC101B芯片就是使用专用集成电路的此种芯片，能够对三至五相步进电机电路进行驱动，并且还可以选择方式，各项运动都十分精确，完成的功能也很多样。另外一种芯片利用细分技术作为其核心，就如日本东芝公司的TA774H二相步进电机细分控制芯片在它的内部集成了很多种细分的控制功能。