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文檔簡介
1、<p><b> 課程設(shè)計</b></p><p><b> 課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p> 學(xué)生姓名: 專業(yè)班級: </p><p> 指導(dǎo)教師: 工作單位 </p>&
2、lt;p> 題目:步進電機定位控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b> 初始條件:</b></p><p> 1. 熟悉QuartusII 軟件的操作與運用;</p><p> 2. 掌握步進電機的工作原理。</p><p> 要求完成的主要任務(wù):</p><p> 1. 設(shè)計一個
3、基于FPGA 的4 相步進電機定位控制系統(tǒng),包括步進電機方向設(shè)定</p><p> 電路模塊、步進電機步進移動與定位控制模塊和編碼輸出模塊。</p><p> 2.撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計說明書</p><p><b> 時間安排:</b></p><p> 1、 年 月 日,布置課設(shè)具體實
4、施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求說明。</p><p> 2、 年 月 日至 年 月 日,設(shè)計說明書撰寫。</p><p> 3、 年 月 日,上交課程設(shè)計成果及報告,同時進行答辯。</p><p> 指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日<
5、/p><p> 系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日</p><p><b> 目錄</b></p><p><b> 摘要I</b></p><p> AbstractII</p><p> 1 設(shè)計目標(biāo)及簡介1<
6、;/p><p><b> 1.1設(shè)計目標(biāo)1</b></p><p> 1.2 步進電機簡介1</p><p> 2 VHDL語言介紹2</p><p> 3 Quartus Ⅱ介紹3</p><p><b> 4 系統(tǒng)組成4</b></p>&l
7、t;p> 4.1 四相步進電機工作原理4</p><p> 4.2 系統(tǒng)組成5</p><p><b> 5 模塊設(shè)計5</b></p><p> 5.1 FPGA模塊圖及信號說明5</p><p> 5.2 系統(tǒng)模塊構(gòu)成6</p><p> 5.3 各模塊間整體共享的
8、電路內(nèi)部傳遞信號6</p><p> 5.4 電機方向設(shè)定電路模塊6</p><p> 5.5 步進電機步進移動與定位控制模塊7</p><p> 5.6 編碼輸出模塊7</p><p> 6 程序設(shè)計與仿真8</p><p><b> 7 仿真結(jié)果12</b></p&
9、gt;<p><b> 8 實驗總結(jié)14</b></p><p><b> 9參考文獻15</b></p><p><b> 摘要</b></p><p> 在分析了步進電機工作原理的基礎(chǔ)上,提出了步進電機定位控制系統(tǒng)的模塊劃分和實現(xiàn)方法。以步進電機四相四拍工作方式為例,用V
10、erilog編程在Altera公司的FPGA開發(fā)系統(tǒng)中實現(xiàn)了各功能模塊和顯示程序。在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上,進行了功能模塊的控制實驗,實驗結(jié)果和仿真一致,實現(xiàn)了對步進電機模組的預(yù)定控制。</p><p> 關(guān)鍵詞:步進電機 定位控制 Verilog硬件描述語言 FPGA</p><p><b> Abstract</b></p><p> On
11、 the basis of analysing stepping motor’s operational principle,we put forward modules division and realizing method of positioning control system which using stepping motor.Giving an example such as stepping motors which
12、 work in Four-phase-four-step mode,we use Verilog programming realized every foundational module and display routine in Altera’s FPGA development system.On the basis of system simulation,we conduct a controlling experime
13、nt about foundational modules,the results are the same as </p><p> Keyword: stepping motor positioning control VHDL FPGA</p><p><b> 1 設(shè)計目標(biāo)及簡介</b></p><p><b> 1.1
14、設(shè)計目標(biāo)</b></p><p> 設(shè)計一個基于FPGA的4相步進電機定位控制系統(tǒng)。</p><p> 系統(tǒng)主要由步進電機方向設(shè)定電路模塊、步進電機步進移動與定位控制模塊和編碼輸出模塊構(gòu)成。</p><p> 前兩個模塊完成電機旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定,激磁方式設(shè)定和定位角度的換算等工作,后一個模塊用于對換算后的角度量編碼輸出。</p><
15、p> 1.2 步進電機簡介</p><p> 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件,具有價格低廉、易于控制、無累積差錯和與計算機接口方便等諸多優(yōu)點,在機械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而
16、無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。</p><p> 2 VHDL語言介紹</p><p> VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,誕生于1982年。1987年底,VHDL被IEEE和美國國防部確認為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。</p&g
17、t;<p> VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),行為,功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外,VHDL的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計,或稱設(shè)計實體(可以是一個元件,一個電路模塊或一個系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部(或稱不可視部分),既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后,一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后,其他的設(shè)計
18、就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基本點。</p><p> VHDL 語言能夠成為標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言并獲得廣泛應(yīng)用,它自身必然具有很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點。歸納起來,VHDL 語言主要具有功能強大,設(shè)計方式多樣;硬件描述能力強大;具有很強的移植能力;設(shè)計描述與器件無關(guān)程序易于共享和復(fù)用等優(yōu)點。</p><p> 3 Quartus
19、 Ⅱ介紹</p><p> Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件,支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(Altera Hardware Description Language)等多種設(shè)計輸入形式,內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器,可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。</p><p> Quartus II可以在XP、Lin
20、ux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計流程外,提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有運行速度快,界面統(tǒng)一,功能集中,易學(xué)易用等特點。</p><p> Quartus II提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)的開發(fā)包環(huán)境,具有數(shù)字邏輯設(shè)計的全部特性,包括:可利用原理圖、結(jié)構(gòu)框圖、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成電路描述,并將其保存為設(shè)計實體文件;芯片(電路)平面布局連線編輯;LogicLo
21、ck增量設(shè)計方法,用戶可建立并優(yōu)化系統(tǒng),然后添加對原始系統(tǒng)的性能影響較小或無影響的后續(xù)模塊;功能強大的邏輯綜合工具;完備的電路功能仿真與時序邏輯仿真工具;定時/時序分析與關(guān)鍵路徑延時分析;可使用SignalTap II邏輯分析工具進行嵌入式的邏輯分析;支持軟件源文件的添加和創(chuàng)建,并將它們鏈接起來生成編程文件;使用組合編譯方式可一次完成整體設(shè)計流程;自動定位編譯錯誤;高效的期間編程與驗證工具;可讀入標(biāo)準(zhǔn)的EDIF網(wǎng)表文件、VHDL網(wǎng)表文件
22、和Verilog網(wǎng)表文件;能生成第三方EDA軟件使用的VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件。</p><p><b> 4 系統(tǒng)組成</b></p><p> 4.1 四相步進電機工作原理</p><p> 步進電機是利用數(shù)字信號控制的電機裝置,步進電機每次接收到一組脈沖數(shù)字信號,便旋轉(zhuǎn)一個角度,稱為步進角。不同規(guī)格的步進電機的步進角
23、不同,與電動機內(nèi)部的線圈數(shù)量有關(guān)。線圈中的供應(yīng)電流決定線圈所產(chǎn)生的磁場方向。</p><p> 4相步進電機有兩組線圈 A和 B,如圖4.1所示,A、B兩組垂直擺放線圈的電流方向的排列組合,A線圈如果提供A點低電位而A′點高電位,電流由A′螺旋向上流到A,形成向上的磁場方向;同理,提供B點低電位而B′點高電位,電流由B′螺旋流到B,形成向左的磁場方向。A和B這兩組線圈形成的總磁場方向即為左上方。如果將電動機的轉(zhuǎn)
24、子置于線圈所產(chǎn)生的磁場中,便會受到磁場的作用而產(chǎn)生與磁場方向一致的力,轉(zhuǎn)子便開始轉(zhuǎn)動,直到轉(zhuǎn)子的磁場方向與線圈的磁場方向一致為止。最多可以產(chǎn)生8種磁場方向,分別是0º、45º、90º、135º、180º、225º、270º、315º。</p><p> 圖4.1 四相步進電機</p><p> 由表4.1可
25、以知,假設(shè)電動機轉(zhuǎn)子刻度在0º的位置,想讓其轉(zhuǎn)180º,可以使端口信號依次按0001,0011,0010,0110到0100變化。</p><p> 注意:四相電動機有1相激磁法、2相激磁法和1-2相混合激磁法3種激磁方式。不同的激磁方式,端口信號的順序是不同的。</p><p> 表4.1 四相步進電機的8個方向和電流以及電壓信號的關(guān)系</p>&l
26、t;p> 1-相激磁法:當(dāng)目標(biāo)角度是90的整數(shù)倍時,采用這種方法。例如要從0轉(zhuǎn)到270,只要讓端口信號的順序為0000,0001,0010,0100,1000即可。</p><p> 2-相激磁法:當(dāng)目標(biāo)角度是45而非90的整數(shù)倍時,可采用這種方法。例如要從0轉(zhuǎn)到225,只要讓端口信號的順序為0000,0011,0110,1100即可。</p><p> 1-2-相混合激磁法:
27、按照表中所列的信號順序。</p><p> 該步進電機為一四相步進電機,采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電,就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。</p><p><b> 4.2 系統(tǒng)組成</b></p><p><b> 圖4.2 系統(tǒng)組成</b></p><p><
28、b> 5 模塊設(shè)計</b></p><p> 5.1 FPGA模塊圖及信號說明</p><p> 圖5.1 FPGA模塊圖</p><p> reset:系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位信號,’1’時有效;</p><p> dir:步進電機正反轉(zhuǎn)的方向控制開關(guān),0:逆時針,1:順時針;</p><p> c
29、lk:由FPGA內(nèi)部提供的4MHz的時鐘信號;</p><p> ini:賦初值的使能開關(guān),’0’時有效;</p><p> manner:激磁方式的選擇開關(guān)(兩位), 00:自動檢測角度輸入,決定激磁方式01:1-相激磁;10:2.相激磁;11:1-2.相激磁. </p><p> angle:步進角的倍數(shù)設(shè)定輸入鍵.</p><p>
30、; baba:將內(nèi)部計數(shù)器的count[3 downto 0]的數(shù)值編碼輸出</p><p> 5.2 系統(tǒng)模塊構(gòu)成</p><p> 系統(tǒng)主要由步進電機方向設(shè)定電路模塊、步進電機步進移動與定位控制模塊和編碼輸出模塊構(gòu)成。</p><p> 前兩個模塊完成電機旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定,激磁方式設(shè)定和定位角度的換算等工作,后一個模塊用于對換算后的角度量編碼輸出。</
31、p><p> 5.3 各模塊間整體共享的電路內(nèi)部傳遞信號</p><p> count:內(nèi)部電路計數(shù)累加器,用來產(chǎn)生輸出所需對應(yīng)的狀態(tài);</p><p> cntinc:設(shè)定累加器所需的累加/減計數(shù)值;</p><p> sntini:設(shè)定累加器所需的計數(shù)初值;</p><p> angledncount:設(shè)定步
32、進角所需處理的次數(shù);</p><p> Angledncntdec:設(shè)定步進角所需累減計數(shù)值;</p><p> 5.4 電機方向設(shè)定電路模塊</p><p> 該模塊設(shè)定了步進電機的旋轉(zhuǎn)方向以及電機在任一方向上所需的初值與累加/減值。</p><p> dir為0時,步進電機工作于逆時針旋轉(zhuǎn)模式,累加值為正數(shù)。</p>
33、<p> manner 選擇激磁方式 00、01、10、11分別對應(yīng)默認激磁方式、1-相激磁方式、2.相激磁方式和1-2.相激磁方式。如表5.1。</p><p> 表5.1 dir為0時</p><p> dir為1時,步進電機工作于順時針旋轉(zhuǎn)模式,累加值為負數(shù)。 manner 選擇激磁方式 00、01、10、11分別對應(yīng)默認激磁方式、1-相激磁方式、2.相激磁方式和1
34、-2.相激磁方式。如表5.2。</p><p> 表5.2 dir為1時</p><p> 5.5 步進電機步進移動與定位控制模塊</p><p> 該模塊的主要功能是利用賦初值ini將數(shù)值傳到該模塊中并配合輸入的clk作為同步控制信號,進行步進電機的步進移動與定位控制。</p><p> 步進電機定位功能通過一個減法器實現(xiàn):在每個c
35、lk脈沖上升緣,設(shè)定步進角倍數(shù)angledncount 減去不同激磁方式下設(shè)定的累減記數(shù)值angledncntdec,判斷差值小于設(shè)定的累減記數(shù)時,步進電機旋轉(zhuǎn)到預(yù)定角度停止輸出驅(qū)動端口信號,實現(xiàn)步進電機的定位功能。</p><p> 驅(qū)動端口信號利用累加器實現(xiàn)。</p><p> 5.6 編碼輸出模塊</p><p> 該模塊的功能是將count與angle
36、dncount產(chǎn)生的數(shù)值經(jīng)過編碼,并通過baBA[3downto0]輸出到步進電機。</p><p><b> 6 程序設(shè)計與仿真</b></p><p> library IEEE;</p><p> use IEEE.std_logic_1164.all;</p><p> use IEEE.std_logi
37、c_arith.all;</p><p> use IEEE.std_logic_unsigned.all;</p><p> entity step_motor is</p><p> port (reset:in STD_LOGIC; --系統(tǒng)復(fù)位信號</p><p> dir: in STD_LOGIC; --方向控制信號<
38、;/p><p> clk: in STD_LOGIC; --系統(tǒng)時鐘信號</p><p> ini: in STD_LOGIC; --初始化使能信號 </p><p> manner: in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); --激磁方式的選擇開關(guān)</p><p> angle: in INTEGER rang
39、e 255 downto 0; --步進角的倍數(shù)設(shè)定輸入</p><p> baBA: out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)); --步進電機狀態(tài)輸出</p><p> end step_motor;</p><p> architecture stepmotor_arch of step_motor is</p>
40、<p> signal count: INTEGER range 0 to 7; --計數(shù)器 </p><p> signal cntInc: INTEGER range -2 to 2; --設(shè)定累加器所需的累(加/減)計數(shù)值</p><p> signal cc : integer range 0 to 3;</p><p> signal c
41、ntIni: INTEGER range -1 to 0; --設(shè)定累加器所需的計數(shù)初值</p><p> signal angleDnCount: INTEGER range 255 downto 0; --計算已經(jīng)轉(zhuǎn)過的步進角</p><p> signal angleDnCntDec: INTEGER range 2 downto 1; </p><p>
42、;<b> begin</b></p><p> --步進電機方向設(shè)定電路模塊</p><p> 該模塊的主要功能是設(shè)定步進電機的旋轉(zhuǎn)方向(順時針或逆時針),并設(shè)定電機在順時針或逆時針轉(zhuǎn)動時所需要初值與累加/減值。</p><p> process(dir, manner, angle)--, ini)</p><p
43、><b> begin</b></p><p> --if ini='1' then</p><p> cc<=conv_integer(manner);</p><p> if dir='0' then</p><p> case cc is</p>
44、<p> when 1 => -- 1-相激勵</p><p> --count<=0;</p><p> cntIni<=0;</p><p> cntInc<=2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--"10";</p><p
45、> when 2 => -- 2-相激勵</p><p> --count<=7;</p><p> cntIni<=-1;</p><p> cntInc<=2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--"10"; </p><p&g
46、t; when 3 => -- 1-2相激勵</p><p> --count<=0;</p><p> cntIni<=0;</p><p> cntInc<=1;</p><p> angleDnCntDec<=1;--"01"; </p><p>
47、; when 0 => --manner="00" autodetect </p><p> if (angle rem 2) =1 then -- 2-相激勵</p><p> --count<=7;</p><p> cntIni<=-1;</p><p> cnt
48、Inc<=2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--"10"; </p><p> else -- 1-相激勵 </p><p> --count<=0;</p><p> cntIni<=0;</p><p&g
49、t; cntInc<=2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--"10";</p><p> end if; --angle</p><p> end case; --manner</p><p> else -- if dir='1'</p><
50、;p> case cc is</p><p> when 1 => -- 1-相激勵</p><p> --count<=0;</p><p> cntIni<=0;</p><p> cntInc<=-2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--&q
51、uot;10";</p><p> when 2 => -- 2-相激勵</p><p> --count<=7;</p><p> cntIni<=-1;</p><p> cntInc<=-2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--"
52、10"; </p><p> when 3 => -- 1-2相激勵</p><p> --count<=0;</p><p> cntIni<=0;</p><p> cntInc<=-1;</p><p> angleDnCntDec<=1;--"0
53、1"; </p><p> when 0 => --manner="00" autodetect </p><p> if (angle rem 2) = 1 then -- 2-相激勵</p><p> cntIni<=-1;</p><p> cntInc&
54、lt;=-2;</p><p> angleDnCntDec<=2;--"10"; </p><p> else -- 1-相激勵 </p><p> cntIni<=0;</p><p> cntInc<=-2;</p><p>
55、 angleDnCntDec<=2;--"10";</p><p> end if; --angle</p><p> end case; --manner</p><p> end if; -- else dir=0</p><p> --end if; -- ini</p><p>
56、; end process;</p><p> --步進電機步進移動與定位控制電路模塊</p><p> 該模塊的主要功能是利用ini(使能開關(guān)),將數(shù)值傳到該模塊中,并配合輸入的clk(系統(tǒng)時鐘)作為同步控制信號,進行步進機的步進移動與定位控制。</p><p> counting_reset: process(reset,ini, angle, clk)
57、</p><p><b> begin</b></p><p> if reset='1' then</p><p><b> count<=0;</b></p><p> angleDnCount<=0; </p><p> elsif
58、 clk'event and clk='1' then</p><p> if ini='0' then</p><p> count<=0+cntIni;</p><p> angleDnCount<=angle;</p><p><b> else</b>&
59、lt;/p><p> count <= count+cntInc;</p><p> if angleDnCount > angleDnCntDec then</p><p> angleDnCount <= angleDnCount-angleDnCntDec;</p><p><b> else</b
60、></p><p> angleDnCount <= 0;</p><p><b> end if; </b></p><p><b> end if;</b></p><p><b> end if;</b></p><p> e
61、nd process;</p><p> --編碼輸出電路模塊</p><p> 該模塊的功能是將count和angledncount產(chǎn)生的數(shù)值經(jīng)過編碼,并利用baBA輸出連線信號,將結(jié)果輸出顯示。</p><p> baBA <="0000" when angleDnCount=0 else</p><p>
62、 "0001" when count=0 else</p><p> "0011" when count=1 else</p><p> "0010" when count=2 else</p><p> "0110" when count=3 else</p>&
63、lt;p> "0100" when count=4 else</p><p> "1100" when count=5 else</p><p> "1000" when count=6 else</p><p> "1001";-- when count>=7;&l
64、t;/p><p> end stepmotor_arch;</p><p><b> 7 仿真結(jié)果</b></p><p><b> 圖7.1 編譯結(jié)果</b></p><p><b> 7.2RTL視圖</b></p><p> 圖7.3 時序仿
65、真部分結(jié)果</p><p> 圖7.4 局部時序仿真結(jié)果</p><p><b> 結(jié)果分析:</b></p><p> 1、從編譯結(jié)果中可以看出片上資源使用情況。</p><p> Total logic elements 31/8256(<1%): 該芯片中共有8256個LE資源,其中有31個在這次編譯
66、中使用。</p><p> Total combinational functions 32/8256(<1%):該芯片中共有8256個LE資源,有31個用于實現(xiàn)組合邏輯。</p><p> Dedicated logic redisters 11/8256(1%):該芯片中共有8256個LE資源,其中有11個用于實現(xiàn)寄存器,即時序邏輯。</p><p>
67、 也從上得出組合邏輯和時序邏輯的比例為31/11=2.8:1。 </p><p> 2、從局部時序仿真結(jié)果中可以看出:當(dāng)ini無效時,dir=0表示逆時針方向轉(zhuǎn)動,manner=10,決定2-相激磁方式,此時的baBA對應(yīng)輸出順序為0011(45度)、0110(135度)、1100(225度)、1001(315度)再循環(huán),滿足2-相激磁方式的順序結(jié)果正確。</p><p><b&
68、gt; 8 實驗總結(jié)</b></p><p> 本文所設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,編程容易,所設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了對電機模組的預(yù)定控制,較好的完成了設(shè)計要求。采用Verilog和FPGA設(shè)計,能夠縮短設(shè)計周期,并使設(shè)計易于調(diào)試、實現(xiàn)。在系統(tǒng)需升級時,僅需對FPGA模塊再設(shè)計,成本較低。</p><p> 從仿真結(jié)果來看,利用FPGA芯片嚴謹?shù)幕谟布木幊陶Z言和精確的時間控
69、制特點,準(zhǔn)確地實現(xiàn)了精確定位功能,并利用直接頻率合成理論中的相位累加器的原理同時實現(xiàn)了對步進電機的運行速度的精確控制。實踐證明,這種方法定位準(zhǔn)確,控制速度精確,是一種行之有效的方案。</p><p><b> 9參考文獻</b></p><p> [1] 王紫婷,吳蓉 ,張彩珍,EDA技術(shù)與應(yīng)用,蘭州大學(xué)出版社,2003</p><p>
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