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南京理工大學紫金學院畢業(yè)設計說明書(論文)作 者:楊望學 號：080404153系：電子工程與光電技術系專 業(yè):通信工程題 目:基于fpga的直流電機控制設計助教劉曦指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 2012 年 5 月畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 文章詳細地介紹了直流電機的類型、結構、工作原理、pwm調速原理以及fpga集成芯片。并對直流電機pwm調速系統(tǒng)方案的組成、硬件電路設計、程序設計及系統(tǒng)仿真分別進行了詳細的敘述。然后闡述了fpga的設計原理以及所涉及到的相關芯片，接著對所要應用的硬件語言vhdl方面的知識進行了簡要地介紹，這些為論文的具體設計部分提供了理論基礎。本系統(tǒng)針對需要實現(xiàn)對直流電機的轉向與速度控制，設計出了一種較理想的方法。對整個系統(tǒng)進行模塊化設計，并且每個子模塊都通過了仿真測試。系統(tǒng)采用了模塊化的設計思路，為系統(tǒng)的設計和維護提供了方便，同時也提高了系統(tǒng)性能的可擴展性。關鍵詞 直流電機 現(xiàn)場可編程門陣列 硬件描述語言 pwm畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要title design of dc motor control base on fpga abstractthis paper introduces clearly the construction and the principle of dc motor and the principle of the speed control based on pwm and fpga integrated chip. and the paper describes detailedly and operationally the composition program of dc motor speed control based on pwm and the design of the hardware circuit, the program design and the system simulation . then it describes the principle of the fpga design and the related chips, then gives a brief introduction on the knowledge of applied hardware language vhdl, all these provides a theoretical basis for the specific design sections of this paper.the system against the achievement of the dc motor speed and steering control, designs an ideal method. it designs the modularization of the whole system, and each sub-module has passed the simulation tests. the system uses a modular design concept, it is not only convenient for the system design and maintenance,but also improves the performance of the system scalability.keywords dc motor fpga vhdl pwm 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 頁 共 頁目 次1 緒論 11.1 課題的來源 11.2 課題研究的目的及其意義 21.3 課題國內外研究現(xiàn)狀 31.4 課題研究的主要內容及其安排 32 直流電機的基本知識 52.1 直流電機的特點 52.2 直流電機的基本結構 52.3 直流電機的工作原理 72.4 直流電機的主要參數(shù) 72.5 本章小結 83 直流電機pwm調速系統(tǒng)方案設計 93.1 直流電機pwm調速原理 93.2 基于單片機的直流電機pwm調速方案103.3 基于fpga的直流電機調速方案 113.4 方案論證123.5 本章小結134 直流電機調速控制電路設計14 4.1 系統(tǒng)工作原理144.2 鍵盤電路設計154.3 系統(tǒng)時鐘電路設計164.4 h型橋式驅動電路設計174.5 電源電路設計194.6 本章小結205 硬件描述語言vhdl及開發(fā)系統(tǒng)quartus215.1 vhdl語言介紹215.2 quartus開發(fā)系統(tǒng)介紹245.3 本章小結246 fpga內部邏輯電路組成及各個模塊詳解256.1 pwm脈寬調制信號產生模塊256.2 控制模塊306.3 fpga內部邏輯電路仿真31 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 頁 共 頁6.4仿真結果分析336.5 本章小結34 結論 35致謝 36參考文獻37 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 37 頁1 緒論 以fpga為其控制核心，對直流電機pwm調速系統(tǒng)方案的組成、程序設計及系統(tǒng)仿真分別進行了詳細的敘述。1.1 課題的來源直流電動機是一種能量轉換的裝置，具有良好的啟動性能和寬廣平滑的調速特性，在國民經濟中起著重要作用，無論是在工農生產、交通運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機，如汽車、電視機、電風扇、空調等等也離不開電機。同時，在越來越多的應用場合，只能旋轉的電機己無法滿足要求，而是要求能夠實現(xiàn)快速加速、減速或反轉以及準確停止等功能。必須尋找新的電機控制器來適應時代的發(fā)展。直流電動機的控制器經歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的參數(shù)受外界影響大，而且精度也較差。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調整方便、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點。隨著工業(yè)電氣化、自動控制和家電產品等領域對電機控制產品的需求，人們對電機控制技術的要求有所提高。由于傳統(tǒng)的8位單片機其內部體系結構和計算功能等條件限制，在實現(xiàn)各種先進的電機控制理論和高效的控制算法時遇到了困難。因此，目前最為普遍的做法是使用高性能的數(shù)字信號處理器(dsp)來解決電機控制器不斷增加的計算量和速度的需求。將一系列外圍設備如模數(shù)轉換器、脈寬調制發(fā)生器、和數(shù)字信號處理器集成在一起組成復雜的電機控制系統(tǒng)。隨著eda技術的發(fā)展，用基于現(xiàn)場可編程門陣列fpga的數(shù)字電子系統(tǒng)對電機進行控制，為實現(xiàn)電動機數(shù)字控制提供了一種新的有效方法?，F(xiàn)場可編程門陣列(fpga)器件集成度高、體積小、速度快，以硬件電路實現(xiàn)算法程序，將原來的電路板級產品集成為芯片級產品，從而降低了功耗，提高了可靠性。傳統(tǒng)pwm控制電路往往存在電路設計復雜、體積大、抗干擾能力差以及設計困難、設計周期長等缺點，現(xiàn)在國內外市面上已經有具有pwm模塊的專用芯片，但是這些產品性價比比較差，功能不夠豐富，使用起來也不靈活方便，很難適合廣大客戶的需求。隨著電子技術的發(fā)展，特別是專用集成電路（asic）設計技術的日趨完善，數(shù)字化的電子自動化設計（eda）工具給電子設計帶來了巨大變革，尤其是硬件描述語言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設計系統(tǒng)工程的諸多不便。針對以上情況，本課題提出現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）的pwm控制電路設計1。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 37 頁1.2 課題研究的目的及其意義直流電動機因為具有良好的啟動性能和寬廣平滑的調速特性，從而被廣泛應用于電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和啟動設備等這些需要經常啟動并調速的電氣傳動裝置中，直流發(fā)電機主要用作直流電源。此外，小容量直流電機大多在自動控制系統(tǒng)中以伺服電動機、測速發(fā)電機等形式作為測量、執(zhí)行原件使用。直流電機大多數(shù)采用pwm（脈寬調制）的方法進行控制，它有兩種模式：一種是采用模擬電路控制，另一種是采用數(shù)字的控制。模擬控制由于其調試復雜等固有原因，正逐漸被淘汰。而在數(shù)字控制技術中，fpga的數(shù)字pwm控制具有精度高，反應快，外部連線少，電路簡單，便于控制等優(yōu)點廣泛的被人們使用，應而研究fpga具有十分重要的意義。對于本次設計目的在于：（1）掌握基于fpga的直流電機pwm控制原理，學會應用eda技術進行編程（2）通過對本課題的研究,掌握eda開發(fā)技術的編程方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和理論聯(lián)系實際的學風。熟悉現(xiàn)代電子產品的設計流程。fpga用于控制領域特別是電機控制還是比較少的，本設計為電機控制系統(tǒng)提供一種的控制技術，在電機控制方面作了一些片內系統(tǒng)的初步研究。本設計將電機控制所使用的一些基本功能盡可能地集成在一片fpga上，本設計論述了利用fpga對直流電機進行控制時所起的各部分功能pwm波的產生、在線調速、正反向控制邏輯，并利用硬件描述語言對pwm波在fpga中進行組合邏輯變換，并進行仿真。當基于fpga的嵌入式系統(tǒng)時，在設計周期之初就不必為每個模塊做出用硬件還是軟件的選擇。如果在設計中間階段需要一些額外的性能，則可以利用fpga中現(xiàn)有的硬件資源來加速軟件代碼中的瓶頸部分。由于fpga中的邏輯單元是可編程的，可針對特定的應用而定制硬件。所以，僅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板級變動(前提是fpga中的邏輯單元足夠用)。設計者不必轉換到另外一個新的處理器或者編寫匯編代碼，就可做到這一點。使用帶有可配置處理器的fpga可獲得設計靈活性。設計者可以選擇如何實現(xiàn)軟件代碼中的每個模塊，如用定制指令，或硬件外圍電路。此外，還可以通過添加定制的硬件而獲取比現(xiàn)成微處理器更好的性能。另一點要知道的是，fpga有充裕的資源，可配置處理器系統(tǒng)可以充分利用這一資源。算法可以用軟件，也可用硬件實現(xiàn)。出于簡便和成本考慮，一般利用軟件來實現(xiàn)大部分操作，除非需要更高的速度以滿足性能指標。軟件可以優(yōu)化，但有時還是是不夠的。如果需要更高的速度，利用硬件來加速算法是一個不錯的選擇。fpga使軟件模 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 37 頁塊和硬件模塊的相互交換更加簡便，不必改變處理器或進行板級變動。設計者可以在速度、硬件邏輯、存儲器、代碼大小和成本之間做出折衷。利用fpga可以設計定制的嵌入式系統(tǒng)，以增加新的功能特性及優(yōu)化性能。目前，雖然由晶閘管整流元件組成的固態(tài)直流電源設備已基本上取代了直流發(fā)電機，但直流電動機仍因為其良好調速性能的優(yōu)勢在許多傳動性能要求高的場合占據(jù)一定的地位，而fpga又具有很強的性能及其優(yōu)勢，基于fpga的直流電機的控制還是有應用價值2。1.3 課題國內外研究現(xiàn)狀 在國外，pwm源于上世紀九十年代，其思想源于通信技術，但隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展使得pwm理論越來越成熟，其發(fā)展的速度越來越快速。已經取代傳統(tǒng)的可控硅電機調速系統(tǒng)。由原先的“電機控制”“電氣傳動”已發(fā)展到“運動控制”的新階段。igbt、電力mosfet等為代表的全控型器件的不斷完善給pwm控制技術提供了強大的物質基礎。在國內pwm有理論基礎逐漸成熟，但在應用上，國內外差距也很大。pwm調速系統(tǒng)的應用是近年來才開始的，原因是我國的電子工業(yè)的基礎比較差。pwm調速系統(tǒng)中所需的關鍵部件igot管靠進口。近年來，我國已開發(fā)出具有自主知識產權的igot大電流晶體管，從而為該技術推行奠定了物質基礎。pwm電機調速方案是未來電機拖動系統(tǒng)的首選方案，是實現(xiàn)電機拖動數(shù)字控制的基礎。1.4 課題研究的主要內容及其安排1.4.1 研究的內容1.了解直流直流電機的結構、主要技術參數(shù)、工作原理和調速原理，并且對直流電機的pwm控制進行研究分析。2.對要進行的研究進行分析，采用模塊化設計，包括pwm控制模塊等等。3.重點掌握利用quartus軟件設計數(shù)字系統(tǒng)的方法。4.利用vhdl語言編寫直流電機pwm控制代碼。能夠實現(xiàn)直流電機的速度控制，旋轉方向控制，變速控制。1.4.2 本文的安排 本文總包括六章內容。第二章先闡述了直流電機的特點及其工作原理與主要參數(shù)。第三章講述了直流電機pwm調速的原理，單片機與fpga直流電機調速方案的比較。第四章介紹了本次設計pwm調速電路的設計，每個部分的構造以及如何運轉的。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 37 頁第五章簡單介紹了vhdl語言和quartus開發(fā)系統(tǒng)。第六章fpga內部邏輯電路和各個模塊組成以及仿真圖形。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 37 頁2 直流電機的基本知識2.1 直流電機的特點 直流電動機與交流電動機相比較，具有良好的調速性能和啟動性能。直流電動機具有寬廣的調速范圍，平滑的無級調速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。而直流發(fā)電機則能提供無脈動的大功率的直流電源，且輸出的電壓可以精確地調節(jié)和控制。但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復雜，消耗有色金屬較多，生產成本高；二是運行的時候由于電刷與換向器之間容易產生火花，所以可靠性比較差，維護比較困難。所以在一些對調速性能要求不高的領域中己被交流變頻調速系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機的應用目前仍然占有較大的比重。2.2 直流電機的基本結構直流電機由定子（靜止部分）和轉子（轉動部分）兩大部分組成。 圖2.1 直流電機的基本結構a）定子部分 定子部分包括機座、主磁極、換向極和電刷裝置等。 1）機座 機座有兩個作用，一是作為電機磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 37 頁向極及端蓋等，起機械支撐的作用。因此要求機座有好的導磁性能及足夠的機械強度和剛座，機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。 2）主磁極 在大多數(shù)直流電機中，主磁極是電磁鐵，如圖2.1的n、s就是主磁極，主磁極鐵芯用1-1.5mm厚的低碳鋼板疊加而成，整個磁級用螺釘固定在機座上。 主磁極的作用是在定轉子之間的氣隙中建立磁場，使電樞繞組在此磁場的作用下感應電動勢和產生電磁轉矩。3）換向極 換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。換向極裝在相鄰兩主磁極n、s之間，由鐵心和繞組構成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。 4）電刷裝置 在圖2.1中，a、b表示電刷。它的作用是把轉動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。 b）轉子部分 直流電機的轉子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風扇、軸和軸承等。 1）電樞鐵芯 電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，且用來嵌放電樞繞組。為了減少電樞旋轉時電樞鐵芯中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊加而成。 2）電樞繞組 電樞繞組是由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應電動勢，從而實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部件。線圈用包有絕緣的導線繞制而成嵌放在電樞槽中。每個線圈（也稱元件）有兩個出線端，分別接到換向器的兩個換向片上。所有線圈按一定規(guī)律連接成一閉合回路。 3）換向器 換向器也是直流電機的重要部件。在直流電動機中，它將電刷上的直流電流轉換成繞組內的交流電流；在直流發(fā)電機中，它將繞組內的交流電動勢轉換成電刷端上的直流電動勢。換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。換向片數(shù)與線圈元件數(shù) 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 7 頁 共 37 頁相同3。2.3 直流電機的工作原理 直流電動機在機械構造上與直流發(fā)電機完全相同，直流電動機的工作原理圖如圖2.2所示。電樞不用外力驅動，把電刷a、b接到直流電源上，假定電流從電刷a流入線圈，沿abcd方向，從電刷b流出。載流線圈在磁場中將受到電磁力的作用，其方向按左手定則確定，ab邊受到向上的力，cd邊受到向下的力，形成電磁轉矩，結果使電樞逆時針方向轉動，如圖2.2a所示。當電樞轉過90時，如圖2.2b所示，線圈中雖然無電流和力矩，但是在慣性的作用下繼續(xù)旋轉。當電樞轉過180的時候，如圖2.2c所示，電流仍然從電刷a流入線圈，沿dcba方向，從電刷b流出。與圖2.2a比較，通過線圈的電流方向改變了，但兩個線圈邊受電磁力的方向卻沒有改變，即電動機只朝一個方向旋轉。若要改變其轉向，則必須改變電源的極性，使電流從電刷b流入，從電刷a流出才行3。 圖2.2 直流電機的工作原理圖a) 受電磁力，逆時針轉動 b) 不受電磁力，慣性轉動c) 受電磁力，逆時針轉動 d) 不受電磁力，慣性轉動由以上分析可得直流電動機的工作原理是：當直流電動機接入直流電源時，借助于電刷和換向器的作用，使直流電動機電樞繞組中流過方向交變的電流，從而使電樞產生恒定方向的電磁轉矩，進而保證了直流電動機朝一定的方向連續(xù)旋轉3。2.4 直流電機的主要技術參數(shù) 為了使電機安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運行性能，電機廠家根據(jù)國家標準及 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁 共 37 頁電機的設計數(shù)據(jù)，對每臺電機在運行中的電壓，電流，功率，轉速等規(guī)定了保證值，這些保證值就是直流電機的主要技術參數(shù)，直流電機的主要技術參數(shù)有：直流電機的轉速，是指電機實際轉動的速度n； （2.1） 為電樞電動勢，為電動勢常數(shù)，是磁通量。 額定功率（容量）pn，是指電刷輸出的電功率，單位為kw； （2.2） 額定電壓，指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，單位為v； 額定電流，指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，單位為a； 額定轉速，指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，單位r/min； （2.3）2.5 本章小結 本章簡單介紹了直流電機的基本結構，工作原理以及主要參數(shù)，對直流電機有了一定的了解，在下面對直流電機pwm控制設計中起到鋪墊作用。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁 共 37 頁3 直流電機pwm調速系統(tǒng)方案設計3.1 直流電機pwm調速原理所謂脈沖寬度調制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的的占空比來控制電機轉速的方法，稱為脈沖寬度調制(pwm)。對于直流電機調速系統(tǒng)，使用fpga進行調速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導通時間與通電時間的比值，即占空比，來控制電機速度6。pwm調速原理如圖3.1所示。 圖3.1 pwm調速原理在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加，電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉速得到控制。設電機永遠接通電源時，其轉速最大為，設占空比為，則電機的平均速度為 （3.1） 式中，電機的平均速度 電機全通時間的速度（最大） 占空比 平均速度與占空比的函數(shù)曲線，如圖3.1所示。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁 共 37 頁 圖3.2 平均速度與占空比的關系 由圖3.2所示可以看出，與占空比并不是完全線性關系（圖中實線），當系統(tǒng)允許時，可以將其近似的看成線性關系（途中虛線）。因此也就可以看成電機電樞電壓與占空比成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。 由以上敘述可知：電機的轉速電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比時，電機轉速最大5。3.2 基于單片機的直流電機pwm調速方案 如圖3.3所示為基于單片機的直流電機pwm調速方案的系統(tǒng)方框圖。d/a轉換器接在單片機at89c51的p0引腳上，由軟件編程的產生的信號從p0腳輸出經d/a轉換器后輸出周期性線性增加的鋸齒波電壓，同時在模擬比較器另一端接給定的參考電壓。當鋸齒波電壓小于參考電壓時輸出低電平，當鋸齒波電壓大于參考電壓時輸出高電平。改變滑動電阻的值便可以改變參考電壓的大小，從而改變pwm波形中高電平的寬度，改變直流電機的占空比，改變直流電機的速度。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 11 頁 共 37 頁圖3.3 基于單片機控制的pwm調速系統(tǒng) 關于電機運動方向控制，本設計在單片機的p2口引出兩個端口p2.1、p2.2控制直流的方向。其控制的原理是在pwm波形輸出端加上兩個與門，其分別與電機的方向控制端p2.1、p2.2相與，其具體的連接如圖3.2。當p2.1、p2.2輸出02h控制模型（p2.1=1，p2.2=0）時，三極管v1和v4導通，v2和v3截止，電機全速正轉。當p2.1、p2.2輸出01h模型（p2.1=0，p2.2=1）時，v1和v4截止，v2和v3導通，電機全速反轉。在這里需要注意的問題的是，當輸出全為1時，電機剎車，全為0時，電機滑行5。工作狀態(tài)表如下：表3.1 電機工作狀態(tài)真值表 從以上的分析可知基于單片機的直流電機pwm調速方案要用到d/a轉換器、模擬比較器，外圍電路比較復雜。3.3 基于fpga的直流電機調速方案 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 12 頁 共 37 頁如圖3.4所示為基于fpga的直流電機調速方案的方框圖，fpga中的數(shù)字pwm控制基于單片機pwm控制不同，用fpga產生pwm波形，只需要fpga內部資源就可以實現(xiàn)，如數(shù)字比較器、鋸齒波發(fā)生器等均為fpga內部資源，只要直接調用就可以。外部端口u_d、en1、z/f、start接在鍵盤電路上，clk2和clk0接在外部時鐘電路上，所用到的時鐘頻率為100mhz和50mhz，其具體的連接方式見下章圖4.1。 圖3.4 基于fpga的直流電機調速系統(tǒng)其工作原理是：設定值計數(shù)器的設置pwm的占空比。當u/d=1時,輸入clk2,使設定值計數(shù)器的輸出值增加, pwm的占空比增加,電機轉速加快;當u/d=0時，輸入clk2，使設定值計數(shù)器的輸出值減小,pwm的占空比減小,電機轉速變慢。在clk0的作用下,鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當計數(shù)值小于設定值時,數(shù)字比較器輸出高電平;當計數(shù)值大于設定值時,數(shù)字比較器輸出低電平,由此產生周期性的pwm波形。旋轉方向控制電路控制直流電動機轉向和啟/停,該電路由兩個2選1的多路選擇器組成,z/f鍵控制選擇pwm波形是從正端z進入h橋，還是從負端f進入h橋，以控制電機的旋轉方向。當z/f=1時，pwm輸出波形從正端z進入h橋電機正轉。當 z/f =0時，pwm輸出波形從負端f進入h橋，電機反轉。start鍵通過“與”門控制pwm輸出,實現(xiàn)對電機的工作停止/控制。當start=1時，與門打開，允許電機工作。當start=0時，與門關閉，電機停止轉動。h橋電路由大功率晶體管組成，pwm輸出波形通過方向控制電路送到 h 橋, 經功 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 13 頁 共 37 頁率放大以后對直流電機實現(xiàn)四象限運行。并由en1信號控制是否允許變速6。3.4 方案論證與基于單片機的直流電機pwm調速方案相比，基于fpga的直流電機pwm控制省去了外接的d/a轉換器和模擬比較器fpga外部連線很少，電路更加簡單，便于控制。兼于fpga的直流電機pwm控制具有精度高，反應快，外部連線少，電路簡單，便于控制等優(yōu)點，因此本設計采用基于fpga的直流電機pwm控制方案。3.5 本章小結 本章對于直流電機pwm調速原理作了簡單的介紹，又對單片機直流電機pwm調速方案與fpga直流電機pwm調速方案進行了比較，分析出后者的優(yōu)勢明顯，所以選擇后者更加的簡單，方便。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 14 頁 共 37 頁4 直流電機pwm調速控制電路設計 如圖4.1所示，基于fpga的直流電機pwm控制電路主要由四部分組成：控制命令輸入模塊、控制命令處理模塊、控制命令輸出模塊、電源模塊。鍵盤電路、時鐘電路是系統(tǒng)的控制命令輸入模塊，向fpga芯片發(fā)送命令，fpga芯片是系統(tǒng)控制命令的處理模塊，負責接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發(fā)出pwm信號，是系統(tǒng)的控制核心?？刂泼钶敵瞿K由h型橋式直流電機驅動電路組成，它負責接收由fpga芯片發(fā)出的pwm信號，從而控制直流電機的正反轉、加速以及在線調速。電源模塊負責給整個電路供電，保證電路能夠正常的運行7。圖4.1 基于fpga的直流電機pwm控制電路4.1 系統(tǒng)工作原理 在圖4.1中所示的fpga是根據(jù)設計要求設計好的一個芯片，其內部邏輯電路如圖6.1。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 15 頁 共 37 頁 start是電機的開啟端，u_d控制電機加速與減速，en1用于設定電機轉速的初值，z_f是電機的方向端口，選擇電機運行的方向。clk2和clk0是外部時鐘端，其主要作用是向fpga控制系統(tǒng)提供時鐘脈沖，控制電機進行運轉。通過鍵盤設置pwm信號的占空比。當u_d=1時, 表明鍵u_d按下，輸入clk2使電機轉速加快，當u/d =0，表明鍵u_d松開,輸入clk2使電機轉速變慢，這樣就可以實現(xiàn)電機的加速與減速。 z_f鍵是電機運轉的方向按鍵，當把z_f鍵按下時，z_f=1，電機正轉；反之z/f=0時，電機反轉。 start是電機的開啟鍵，當start=1，允許電機工作；當start=0時，電機停止轉動。 h橋電路由大功率晶體管組成，pwm輸出波形通過由兩個二選一電路組成的方向控制電路送到h橋, 經功率放大以后對直流電機實現(xiàn)四象限運行。并由en1信號控制是否允許變速。4.2 鍵盤電路設計本設計系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路和時鐘電路，通過以按鍵的方式向fpga控制系統(tǒng)表達人的命令來實現(xiàn)直流電機的正轉、反轉、停止和加減速，實現(xiàn)人機互換。下面就對鍵盤電路和時鐘電路的類型以及工作原理分別進行論述。鍵盤電路有兩種類型，其中一種是獨立式鍵盤電路。獨立式鍵盤電路結構簡單、操作方便，在目前這種結構的鍵盤應用還非常普遍。只是這種鍵盤電路的每個按鍵都要占用一根i/o口線，這樣的話，隨著按鍵的增加將使i/o口線不足。因此，這種鍵盤電路只有在按鍵比較少的情況下比較適用。另一種鍵盤電路是矩陣式鍵盤電路，這種鍵盤電路的按鍵設置在行線和列線的交叉點上，因此在有限的i/o口線上可以設置比較多的按鍵。只是這種鍵盤電路結構、編程都比較復雜。在鍵盤電路中往往可以與一個與非門電路構成帶中斷的鍵盤電路。這種鍵盤電路上的每個按鍵可以單獨工作而且響應時間快。這種帶中斷式的鍵盤電路現(xiàn)在應用已經相當?shù)钠毡椤?如圖4.2所示，所采用的鍵盤電路是獨立式鍵盤電路。其4個功能鍵sb1，sb4連線分別接在fpga控制系統(tǒng)的4個端口上，并分別往上各引一條接線串一個1k的上拉電阻接在+5v電源上。當4個鍵都沒有被按下去時，對應的各條列線全部為高電平，在cmos非門，的作用下每個端口的電平為低電平。其中一個按鈕按下去時其對應的輸出端口在非門的作用下由低電平變?yōu)楦唠娖?，從而啟動相應的功?。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 16 頁 共 37 頁 圖4.2 鍵盤電路在鍵盤電路設計中，需要解決按鍵抖動的問題。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機械彈性開關，一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合和斷開的瞬間必然伴隨一連串的抖動。為了排除抖動的影響，在按鍵和輸出端并上一個電阻、一個電容。如圖4.3所示。 圖4.3 防抖動電路 由圖4.3可知，當鍵sb1未按下時，電容c兩端的電壓均為1，非門輸出為0。當鍵sb1按下時，由于c兩端電壓不可能產生突變。盡管接觸過程中可能出現(xiàn)抖動，只要適當?shù)倪x擇r和c值，即可保證電容c兩端的放電電壓波動不會超過非門的開啟電壓（ttl為0.8v），非門的輸出將維持低電平。同理，當觸點k斷開時，由于電容c經過r2充電，c兩端的充電電壓波動不會超過非門的關閉電壓，因此，非門的輸出也不會改變，從而達到防抖動的效果9。4.3 系統(tǒng)時鐘電路設計 fpga是在系統(tǒng)時鐘脈沖作用下進行的，在fpga應用系統(tǒng)中，要求采用石英晶振 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 17 頁 共 37 頁作為時鐘脈沖，如圖4.4所示，是采用有源石英晶振構成的系統(tǒng)時鐘電路。在該電路中，1腳懸空，2腳接地，3腳接輸出，4腳接電源。3腳時鐘脈沖輸出后接在fpga的clk0時鐘端，另一路經二分頻電路進行分頻后接在clk2時鐘端。在clk0和clk2的共同作用下，系統(tǒng)進行工作。 時鐘輸入是系統(tǒng)電路中必不可少的一部分。它能為fpga提供時鐘脈沖信號?？紤]到eda開發(fā)系統(tǒng)時鐘輸入的重要性。一個是50mhz的有源晶振作為時鐘信號源輸入，主要用于輸入大的時鐘信號，為波形發(fā)生器提供基準的時鐘脈沖輸入。 圖4.4 時鐘電路圖有源晶振的驅動能力強，晶振頻率比較大，能達到幾百兆hz，采用有源晶振作為時鐘源可以使電路的時鐘擴大。ho-12系列的有源晶振采用ttl/hcmos技術，頻率范圍是1000hz-1000mhz，這里我們采用的是100mhz的有源晶振。 把d觸發(fā)器的輸出反饋回輸入端與d連接就形成一個二分頻電路，如圖3.5所示，從波形圖可以看出q輸出的波形將是cp脈沖周期的兩倍，即頻率是為cp脈沖的一半10。 圖4.5 d觸發(fā)器接成二分頻4.4 h型橋式驅動電路設計 直流電機驅動電路使用最廣泛的就是h型全橋式驅動電路，這種驅動電路可以很 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 18 頁 共 37 頁方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖4.6所示。 圖4.6 h型橋式驅動電路 h型全橋式驅動電路的4只三極管都工作在斬波狀態(tài)，v1、v4為一組，v2、v3為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關斷。當v1、v4導通時，v2、v3關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉或反轉制動；當v2、v3導通時，v1、v4關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。在直流電機運轉的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在v1、v4導通且v2、v3關斷，到v1、v4關斷且v2、v3導通，這兩種狀態(tài)之間轉換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了11。為了避免直通短路且保證各個開關管動作之間的同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時。 驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。當電機處于制動狀態(tài)時，電機便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴重時燒毀。開關管的選擇對驅動電路的影響很大，開關管的選擇宜遵循以下原則： a） 由于驅動電路是功率輸出，要求開關管輸出功率較大 。 b） 開關管的開通和關斷時間應盡可能小。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 19 頁 共 37 頁 c) 直流電機使用的電源電壓不高，因此開關管的飽和壓降應該盡量低 在實際制作中，我們可選用大功率達林頓管tip122或場效應管irf530效果都還不錯?，F(xiàn)在為了取材方便，我們選用三極管作為驅動電路的開關管。 從前面的分析可知，h型全橋式驅動電路中，由于開關管有開通和關斷時間，因此存在上下橋臂直通短路的問題。直通短路的存在，容易使開關管發(fā)熱，嚴重時燒毀開關管，同時也增加了開關管的能量損耗。由于現(xiàn)在的許多集成驅動芯片內部已經內置了死區(qū)保護（如lmd18200），這里主要介紹的是利用開關管等分立元件以及沒有死區(qū)保護的集成芯片制作驅動電路時增加死區(qū)的方法。死區(qū)時間的問題，只有在正轉變?yōu)榉崔D或者反轉變?yōu)檎D的時候才存在，而在正轉啟動或反轉啟動的時候并沒有，因此不需要修正。如果開關管的開通和關斷時間非常小，或者在硬件電路中增加延時環(huán)節(jié)，都可以降低開關管的損耗和發(fā)熱。當然，通過軟件避免直通短路是最好的辦法，它的操作簡單，控制靈活。通過軟件實現(xiàn)死區(qū)時間，就是在突然換向的時候，插入一個延時的環(huán)節(jié)，待開關管關斷之后，再開通應該開通的開關管。在開關管每次換向的時候，不立即進行方向的切換，而是先使開關管關斷一段時間，使其完全關斷后再換向打開另外的開關管。這個關斷時間由軟件延時實現(xiàn)。以上主要分析了電機的全橋式驅動電路，這是直流電機調速使用最多的調速方法。目前市場上有很多種電機驅動的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛但是其驅動方法大多與全橋式驅動一樣。pwm控制方法配合橋式驅動電路，是目前直流電機調速最普遍的方法。4.5 電源電路的設計由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，如果只用一組電源時會影響系統(tǒng)的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組5v給控制電路供電，另外一組12v給電機供電。 如圖4.7所示。電源部分分為兩路，一路直接提供12伏的直流電源，主要是提供給電機使用，另一路通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給鍵盤電路和時鐘電路使用，右邊兩個電容是5伏電源的濾波電容，綠色的led作為工作指示燈只要電源部分正常，綠色的led就會點亮，我們可以根據(jù)這個led來判斷整個電源部分是否工作正常12。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 20 頁 共 37 頁 圖4.7 電源電路4.6 本章小結 本章介紹了系統(tǒng)整個電路的設計組成，詳細描述了系統(tǒng)是如何工作的。分別對系統(tǒng)的每一個子電路進行了講解分析，每一個子電路的功能。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 21 頁 共 37 頁5 硬件描述語言vhdl及開發(fā)系統(tǒng)quartus 硬件描述語言是電子系統(tǒng)硬件行為描述、結構描述、數(shù)據(jù)描述的語言。目前利用硬件描述語言可以進行數(shù)字電子系統(tǒng)的設計。隨著研究的深入，利用硬件描述語言進行模擬電子系統(tǒng)設計或混合電子系統(tǒng)設計，也在探索中。5.1 vhdl語言介紹vhdl（very high speed integrated circuit hardware description language）即超高速集成電路硬件描述語言，沒過國防部在20世紀80年代后期開發(fā)了vhdl語言。vhdl工作小組于1981年6月成立，提出了一個滿足電子設計各種要求的能夠作為工業(yè)標準的hdl。1983年第3季度，由ibm公司、ti公司、intermetrics公司簽約，組成開發(fā)小組，工作任務式提出語言版本和軟件開發(fā)環(huán)境。1986年ieee標準化組織開始工作，討論vhdl標準語言，歷時一年有余，1987年12月通過標準審查，并宣布實施，即ieee std 1076-1987lrm87。1993年vhdl重新修訂，形成新的標準，即ieee std 1076-1993lrm93。此語言設計技術齊全、方法靈活、可與制作工藝無關、編程易于共享，所以成為硬件描述語言的主流，成為標硬件描述語言。將vhdl程序寫入可編程芯片中，做成asic芯片，因其開發(fā)周期短，更改方便，所以將在大范圍內取代單片機控制電路，成為未來數(shù)字電路設計的主流。由于半導體編程技術的快速進步，vhdl所能提供的高階電路描述語言方式，是復雜的電路可以通過vhdl編輯器的電路方式，輕易而快速的達到設計的規(guī)格。vhdl電路描述語言所能涵蓋的范圍相當廣，能適用于不同階層的設計工程師的需求。從asic的設計到pcb系統(tǒng)的設計，vhdl電路描述語言都能派上用場，所以vhdl電路設計毫無疑問的成為硬件設計工程師的必備工具。目前，vhdl也成為fpga/cpld編程最常用的工具。vhdl作為eda的重要組成部分，提供了借助計算機進行數(shù)字系統(tǒng)設計的一種很好的手段。用vhdl進行設計有許多優(yōu)點，vhdl的硬件描述能力很強，可以從門級、電路級直至系統(tǒng)級的描述、仿真、綜合和調試。利用vhdl豐富的仿真語句和庫函數(shù)，對大系統(tǒng)的早期設計，可在遠離門級的高層次上進行模擬，以利用設計者確定整個設計結構和功能的可行性。vhdl強大的行為描述能力和程序結構，使其具有支持對大規(guī)模設計進行分解，以及對已有的設計進行再利用的功能。運用vhdl設計系統(tǒng)硬件具有相對獨立性，設計中沒有嵌入與工藝有關的信息，對硬件的描述與具體的工藝技術 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 22 頁 共 37 頁和硬件結構無關。當門級或門級以上的描述通過仿真檢驗后，再用相應的工具將設計映射成不同的工藝，這使硬件實現(xiàn)的目標器件有很寬的選擇范圍，并且修改電路與修改工藝（或選擇器件）相互之間不會產生不良的影響。vhdl標準、規(guī)范，語法較為嚴格，采用vhdl的設計不必改變源程序，只需改變類屬參數(shù)或函數(shù)，就可以改變設計的規(guī)模和結構。當然，vhdl也存在不足，如電路采用高級而簡明的文本文件方式進行描述的同時，放棄了對電路門級實現(xiàn)定義的控制；由于綜合工具進行邏輯綜合的實現(xiàn)效果有時不太理想；工具的不同也導致了綜合質量的差異。由于vhdl是一種硬件描述語言，設計者需要較多的了解數(shù)字電路與邏輯設計方面的電路知識；而更為重要的是必須以一種并行語言的思路去理解和應用vhdl。vhdl描述的是實際的電路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)內各功能個模塊的工作狀態(tài)可以相互獨立、互補相關，也可以互為結果；也就是說，任一時刻，電路系統(tǒng)中可有許多相關的和不相關的時間同時發(fā)生，為適應實際電路系統(tǒng)的工作方式，vhdl以順序和并行的多種語句方式對同一時刻電路中所有可能發(fā)生的時間進行描述。可以認為，vhdl是一種語言。當然，vhdl仍舊保留著計算機語言的基本特征。用vhdl進行的設計描述只是綜合區(qū)賴以構建硬件電路結構的依據(jù)，不可能代替硬件電路真實的行為方式。如用vhdl的順序語句可以描述多路選擇器、譯碼器等以并行工作為特征的電路，但實際電路并不按照逐個順序判斷的工作方式進行。因而，盡可能了解軟件語言與硬件結構間的聯(lián)系，了解軟件背后的硬件工具行為和硬件結構方式，將有助于實現(xiàn)高質量的vhdl設計?？傊?，vhdl是eda技術最重要的應用工具。離開硬件描述語言的支持，eda技術講無法應用。1995年我國國家技術監(jiān)督局制定的cad通用技術規(guī)范推薦將vhdl作為我國電子設計自動化硬件描述語言的國家標準。目前，vhdl已經作為世界上各家eda工具和集成電路廠商普遍認同和共同推廣的硬件描述語言。掌握vh