1、指導(dǎo)教師：周 彬,論文題目： 基于FPGA的直流電機(jī)的PWM控制系統(tǒng),班 級(jí)： 通信12-2答 辯 人： 康建明學(xué) 號(hào)： 201210602214,,目錄,論文的研究?jī)?nèi)容及意義論文的研究現(xiàn)狀和研究?jī)r(jià)值系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心模塊系統(tǒng)核心模塊仿真致謝,論文的研究?jī)?nèi)容及意義,研究背景: 直流電動(dòng)機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，具有良好的啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及便于測(cè)速等特性，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中

2、起著重要作用。在日常生活中的家用電器，隨處可見各種各樣的電機(jī)，如汽車、電視機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等等家用電器。同時(shí)，在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合，普通的電機(jī)己無(wú)法滿足要求，而是要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟?；蚍崔D(zhuǎn)以及準(zhǔn)確測(cè)速等功能。因此我們必須尋找新的電機(jī)控制器來(lái)適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。,研究?jī)?nèi)容: 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的數(shù)字電子系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件

3、集成度高、體積小、速度快，以硬件電路實(shí)現(xiàn)算法程序，將原來(lái)的電路板級(jí)產(chǎn)品集成為芯片級(jí)產(chǎn)品，從而降低了功耗，提高了可靠性。尤其是硬件描述語(yǔ)言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程的諸多不便。針對(duì)以上情況，本課題提出基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。,研究意義： 隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，使電動(dòng)機(jī)控制向更復(fù)雜的方向發(fā)展。而直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大

4、范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。它過(guò)載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和測(cè)速能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。最近幾年來(lái)，由于直流電機(jī)的優(yōu)秀性能，人們采用FPGA等各種可編程硬件為基礎(chǔ)，可以大幅度提高邏輯系統(tǒng)的精確度和系統(tǒng)可靠性。,論文的研究現(xiàn)狀從80 年代中后期起,世界各大電氣公司都在競(jìng)相開發(fā)直流電機(jī)裝置，當(dāng)直流電機(jī)的控制發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)

5、水平，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力, 在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，從20世紀(jì)60年代初初步實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)在工業(yè)中的使用。目前，直流電機(jī)控制系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。直流電機(jī)控制的科技裝置的優(yōu)點(diǎn)，使得直流電機(jī)在人們生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我國(guó)現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流電機(jī)控制裝置依靠進(jìn)口，但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國(guó)產(chǎn)數(shù)字控制直流電機(jī)裝置的發(fā)展空間。,論文的研究現(xiàn)狀和研究?jī)r(jià)值,

6、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),FPGA芯片為控制核心,通過(guò)按鍵或上位機(jī)設(shè)定電機(jī)速度和PWM占空比,由FPGA的I/O口控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速的測(cè)量由碼盤完成,速度顯示數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)是基于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒速調(diào)節(jié)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。如下圖所示，系統(tǒng)分以下幾個(gè)模塊:轉(zhuǎn)速控制模塊,PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊,速度檢測(cè)模塊,電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速采集模塊。系統(tǒng)框圖如下：,系統(tǒng)總電路:,PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊通過(guò)比較器產(chǎn)生周期性的PWM信號(hào)；轉(zhuǎn)速控制模塊通

7、過(guò)鍵盤改變提供給FPGA控制系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖，從而改變PWM信號(hào)占空比，最終達(dá)到調(diào)控電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的目的；電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向控制模塊通過(guò)外部按鍵生成送入H橋電路控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的觸發(fā)信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；速度測(cè)量模塊通過(guò)霍爾傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)算出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。,系統(tǒng)核心模塊,FPGA模塊 FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurab

8、le Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分?？删幊踢壿嫻δ軌K是實(shí)現(xiàn)用戶功能的基本單元，它們通常排成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)芯片中，可編程I/O 模塊完成芯片上邏輯與外部封裝腳的接口，常圍繞著陣列于芯片周圍；可編程內(nèi)部互聯(lián)線包括各種長(zhǎng)度的線段和編程連接開關(guān)，它們將各個(gè)可編程邏輯塊或I/O 塊連接起來(lái)，構(gòu)成特定的功能電路。,PWM信號(hào)產(chǎn)生器,PWM波是

9、由鋸齒波產(chǎn)生器CNT5輸出信號(hào)AA[3..0]和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊DECD速率等級(jí)輸出信號(hào)SP[3..0]同時(shí)加至數(shù)字比較器的兩個(gè)輸入端，進(jìn)行比較，如AA[3..0]的值大于SP[3..0]輸出值，則比較器輸出低電平，反之輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形，若改變速度等級(jí)設(shè)定值，就可以改變PWM輸出信號(hào)的占空比。,直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制電路用于控制直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)和啟/停狀態(tài)，該電路由兩個(gè)二選一的多路選擇器組成，key_rot鍵控制

10、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)key_rot=1時(shí)，PWM輸出波形從正端foreware進(jìn)入H橋，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)key_rot=0時(shí)，PWM輸出波形從負(fù)端reverse進(jìn)入H橋，電機(jī)反轉(zhuǎn)。key_start鍵通過(guò)鎖存器LATCH控制PWM的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的工作/停止控制：當(dāng)key_start=1時(shí)，LATCH的門打開，允許PWM波輸出，電機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)key_start=0時(shí)，LATCH門關(guān)閉，PWM波無(wú)法輸出，則電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。正反轉(zhuǎn)控制電路如下圖所示：,

11、正反轉(zhuǎn)模塊,系統(tǒng)核心模塊仿真,鋸齒波產(chǎn)生器的功能與仿真 鋸齒波產(chǎn)生器由5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器在CLK上升沿的激勵(lì)下輸出計(jì)數(shù)脈沖的高四位AA[4..0],舍棄最低位AA[0],這樣可以輸出逐漸增大的鋸齒波，當(dāng)計(jì)數(shù)值記至25=32反0，繼續(xù)下一輪計(jì)數(shù)，以此形成逐漸上升的鋸齒波信號(hào)。,電機(jī)啟/停和正/反轉(zhuǎn)仿真 直流電機(jī)的啟?？刂朴蒐PM定制的Latch函數(shù)實(shí)現(xiàn)，正反轉(zhuǎn)由兩個(gè)二選一的數(shù)據(jù)選擇器完成，整個(gè)電路模塊的波形

12、仿真如圖所示。圖中Latch有兩個(gè)輸入端，一路為PWM信號(hào)，另一路為直流電機(jī)啟/停控制端key_start，key_start的狀態(tài)可以控制PWM信號(hào)是否被輸出，如當(dāng)key_start=1時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，此時(shí)若直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鍵key_rot=1，則正轉(zhuǎn)輸出端foreware將PWM信號(hào)送至H橋，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；同樣條件下，若key_rot=0，則反轉(zhuǎn)輸出端reverse將PWM信號(hào)送至H橋，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。一旦key_start=0則電機(jī)

13、停止轉(zhuǎn)動(dòng)，foreware和reverse端無(wú)信號(hào)輸出。,本次設(shè)計(jì)原理電路,：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定端D_STP、鋸齒波產(chǎn)生器時(shí)鐘信號(hào)clk_5、電機(jī)啟停端key_start、電機(jī)反轉(zhuǎn)控制端key_rot光碼盤脈沖信號(hào)oe_in和直流電機(jī)測(cè)頻門控時(shí)鐘信號(hào)clk_1HZ。其中D_STP、key_start、key_rot可用按鍵控制；clk_5、clk_1HZ接頻率信號(hào)；oe_in與光碼盤輸出信號(hào)相接。輸出信號(hào)有電機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)位設(shè)定值DLED[1.