基于CPLD的多维运动控制系统设计

论文编号:JD1051   论文字数:15431,页数:55

[摘要] 步进电机（Stepping Motor）因其能够精确地控制机械的移动量而被广泛采用。步进电机是由输入的脉冲信号来加以控制的。模拟电路虽然可以用来产生连续可调的脉冲信号，但却难以控制，而用数字集成电路来对步进电机进行控制，则能克服以上缺点。
 现在，数字集成电路的设计越来越多地采用VHDL+CPLD的设计方法。VHDL在现场就能进行修改，与CPLD器件相结合，能大大提高设计的灵活性与效率，缩短产品的开发周期，加快产品的上市时间。VHDL+CPLD的设计方法是数字系统设计的一个创新，也是未来的一种发展方向。
 本研究论述数字系统设计方法和利用VHDL语言的实现，介绍了复杂可编程器件并以ALTERA公司的产品为例做了重点介绍。并由此论述了VHDL+CPLD的设计方法在越来越复杂的数字集成系统设计中的优越性。本研究使用VHDL+CPLD的方法设计一个数字的步进电机控制系统。本论文还介绍了VHDL源代码的编写过程（包括系统各部分的介绍以及各部分子模块的VHDL程序的编写和思路）、CPLD外围硬件电路的搭建、CPLD下载系统的结构以及整个系统结构的实现原理等等。在完成整个系统设计的介绍后，还对数字系统设计过程中的心得作了介绍。然后，对进一步改进设计提出了一些新的思路，并且对一种曾经考虑过的设计方案进行了论证，对用该方案与本研究所采用方案的优缺点进行了比较，并说明为什么最终未采用该设计方案的原因。最后，对整个设计进行了总结。
 [关键词] 高速硬件描述语言 复杂可编程逻辑器件 步进电机  运动控制
 
 
 
 
CPLD Solution for Multi-dimension
Motion Control System
 Abstract: Generally speaking, stepping motor is the best choice to control the movement of the mechanism accurately by a motor. The movement of stepping motor can be controlled by a number of input pulse signal. Although analog circuit can generate continuous and adjustable pulse signal, it is difficult to control the movement of the motor accurately by MCU. The above problem can be eliminated by the using of digital integrated circuit.
 Nowadays, the VHDL+CPLD design method is used for more and more designs of digital integrated circuit. VHDL can be compatible easily to different design platform. VHDL+CPLD design method not only can improve the digital system design to make it efficiency and flexibility greatly, but also can shorten the cycle of the product development and make the product to be sold in the market much more quickly. VHDL+CPLD design method is an innovation of digital system design, which will be developed to be the main trend in the future.
 The paper describes the differences among the designing methods of digital system. It also makes people know the advantages of VHDL language. At the same time, the paper introduces the complex programmable logic device and focus on taking Altera company product as an example, which supports the advantages of VHDL+CPLD when it is used to design more and more complicated digital system. In the paper the whole process to design a digital stepping motor control system by VHDL+CPLD is showed, including the instruction of parts in this system, and the process of using VHDL to write the source code. It also shows CPLD extended circuit design, the theory about the whole system structure, etc. And then it concludes the experiences from this design. At last, it gives some thoughts on how to improve the design, and how to analyze a design project. And make a conclusion for the whole design.
Keywords: VHDL,  CPLD,  Stepper Motor,  Motion Control System

目录
中文摘要 I
外文摘要 II
前言 III
1  绪论 1
1.1  选题背景及意义 1
1.2  步进电机的发展及应用 2
2  设计中涉及的主要理论和技术 4
2.1  步进电机工作原理 4
2.1.1  三相反应式步进电机工作原理 4
2.2  数字系统现场集成技术 8
2.2.1  现场集成技术 8
2.2.2  现场集成的目标载体——现场可编程逻辑器件 8
2.3  本研究课题所用的目标器件——Altera CPLD 10
2.3.1  概述 10
2.3.2  Altera复杂可编程逻辑器件分类 10
3  设计与实现 12
3.1  系统构思 12
3.1.1  方案比较 12
3.1.2  总体设计 13
3.1.3  设计创新 14
3.2  硬件电路的设计 14
3.2.1  系统电路图 14
3.2.1  晶体矩形脉冲产生电路的设计 16
3.2.2  步进电机驱动电路 16
3.3  基于CPLD的VHDL设计 17
3.3.1  系统架构 17
3.3.2  分频器、数据选择器的VHDL设计 19
3.3.3  电机相数、励磁方式设定的VHDL设计 20
3.3.4  电机运行步数设定VHDL设计 21
3.3.5  LCD驱动器的VHDL设计 21
3.3.6  脉冲分配控制电路的VHDL设计 29
4  设计调试与问题讨论 35
4.1  实验系统简介 35
4.1.1  微机 35
4.1.2  CPLD实验板 35
4.1.3  步进电机实验设备 35
4.2  调试过程 36
4.3  实验数据 36
5  总结与展望 38
5.1  总结 38
5.2  展望 38
参考文献 39
致谢 40
附录1 41
附录2 43
附录3 45
附录4 47
附录5 48