直流電機PWM控制的FPGA實現(xiàn)

1、 . . . 人文科技學院課程設計報告課程名稱：VHDL語言與EDA課程設計設計題目： 直流電機調速控制器 系 別： 通信與控制工程系 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 2008級電信1班 學生: 湘宇 晨旭 學 號: 08409107 08409101 起止日期:2011年06月15日 11年 06月24日指導教師: 田漢平 教研室主任： 侯海良 16 / 20指導教師評語： 指導教師簽名： 年 月 日成績評定項 目權重成績湘宇晨旭1、設計過程中出勤、學習態(tài)度等方面0.22、課程設計質量與答辯0.53、設計報告書寫與圖紙規(guī)程度0.3總 成 績教研室審核意見：教研室主任簽字： 年 月 日教學系

2、審核意見： 主任簽字： 年 月 日摘 要文章詳細地介紹了直流電機的類型、結構、工作原理、PWM調速原理以與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、程序設計與系統(tǒng)仿真分別進行了詳細的敘述。擬開發(fā)的直流電機PWM調速裝置具有調速圍寬、低功耗、可實現(xiàn)在線調試等特點。本系統(tǒng)是以FPGA為其控制核心，輸入電路以鍵盤作為輸入方式向FPGA控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令，以有源晶振構成的時鐘電路發(fā)出信號。控制系統(tǒng)接收命令后直接向H型橋式驅動電路發(fā)出PWM控制信號。輸出電路主要實現(xiàn)正反轉、起?？刂?、速度在線可調功能。本設計已通過了實驗仿真。關鍵詞：直流電機；PWM；FPGA；有源晶振目錄設

3、計要求11、方案論證與對比11.1方案一11.2方案二22、設計原理與其實現(xiàn)過程32.1設計總原理32.2設計總原理圖52.3模塊設計和相應模塊程序52.3.1 PWM脈沖調制信號電路模塊52.3.2 二進制計數(shù)器電路模塊72.3.3 數(shù)字比較器模塊72.3.4 細分計數(shù)器電路模塊82.3.5 邏輯控制模塊92.4 電路的總仿真圖112.4.1正/反轉控制仿真112.4.2 啟/?？刂品抡?12.4.3 加/減速仿真122.4.4 仿真結果分析133、課程設計結論與心得體會134、儀器儀表清單145、參考文獻156、致15附錄 電路完整程序程序15直流電機調速控制器設計設計要求設計一個直流電機

4、PWM調速控制器，并能進行正反轉控制；1、方案論證與對比1.1方案一基于單片機的直流電機PWM調速方案圖 1 基于單片機控制的PWM調速系統(tǒng)如圖1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。關于電機運動方向控制，本設計在單片

5、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2.5。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。工作狀態(tài)表如下：表1 電機工作狀態(tài)真值表P2.1P2.2狀態(tài)V1V2V3V410正轉100101反轉011011剎車

6、111100滑行0000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。1.2方案二基于FPGA的直流電機調速方案圖 2 基于FPGA的直流電機調速系統(tǒng)如圖2.所示為基于FPGA的直流電機調速方案的方框圖，F(xiàn)PGA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部資源，我們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，其具體的連接方式如圖

7、3。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

8、，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。 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，F(xiàn)PGA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

9、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2。2、設計原理與其實現(xiàn)過程2.1設計總原理如圖3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，F(xiàn)PGA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、加速以與在線調速。

10、電源模塊負責給整個電路供電，保證電路能夠正常的運行。圖3 FPGA直流電機PWM 控制電路在圖3中所示的FPGA是根據(jù)設計要求設計好的一個芯片，其部邏輯電路如圖4。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

11、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5。2.2設計總原理圖圖5 總電路設計圖2.3模塊設計和相應模塊程序2.3.1 PWM脈沖調制信號電路模塊PWM脈寬調制信號產生電路由可控的加減計數(shù)器CNTA、5位二進制計數(shù)器CNTB、數(shù)字比較器LPM_COMPARE三部分組成?？煽氐募訙p計數(shù)器做細分計數(shù)器，確定脈

12、沖寬度。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，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。5位二進制計數(shù)器在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。其部邏輯圖如圖6所示。圖 6 FPGA中的PWM脈寬調制信號產生電路可控的加減計數(shù)器CNTA中的端口U_D控制計數(shù)器的方向，EN1是計數(shù)器的使能端，控制計數(shù)器初值的變化。U_D=1時，加減計數(shù)器CNTA在脈沖CLK2

13、的作用下，每來一個脈沖，計數(shù)器CNTA加1，U_D=0時，每來一個脈沖，計數(shù)器CNTA減1。使能端EN1設定計數(shù)器值的初值，當EN1由1變?yōu)?的時候，無論U_D如何表化，計數(shù)器的值都不會發(fā)生變化，這樣就完成了計數(shù)器的設定值，其仿真波形如圖7所示。圖 7 細分計數(shù)器的仿真波形2.3.2 二進制計數(shù)器電路模塊CNTB是一個簡單的5位二進制計數(shù)器，它的工作原理和CNTA的原理很相似，我們只是在CNTA的時鐘端加了一個使能端EN1控制其加減的方向。而CNTB的時鐘端沒有加使能端，所以每來一個脈沖計數(shù)器加1，因為CNTB是一個5位的二進值計數(shù)器，所以當計數(shù)器的值當大于32時，計數(shù)器又重新從0開始記數(shù)，從

14、而產生周期性的線性增加的鋸齒波。其仿真波形如圖8。圖8 5位二進制計數(shù)器仿真波形2.3.3 數(shù)字比較器模塊數(shù)字比較器是產生PWM波形的核心組成部件，可控的加減計數(shù)器CNTA和5位二進制計數(shù)器CNTB同時加數(shù)字比較器LPM-COMPARE兩端作為兩路輸入信號，當計數(shù)器CNTB輸出值小于細分計數(shù)器CNTA輸出的規(guī)定值時, 比較器輸出高電平; 當CNTB輸出值大于細分計數(shù)器CNTA輸出的規(guī)定值時, 比較器輸出低電平。改變細分計數(shù)器的設定值, 就可以改變PWM輸出信號的占空比。為了便于觀察防真波形，我在CNTB的輸出加上B4.0，仿真波形如圖9。圖9 數(shù)字比較器的仿真波形2.3.4 細分計數(shù)器電路模塊

15、細分計數(shù)器CNTA是一個雙向計數(shù)器, 可以進行加減計數(shù),由U_D控制其加/減計數(shù)方向, CLK是計數(shù)時鐘輸入端。為了便于連續(xù)變速控制, 在計數(shù)器的CLK端通過“與”門, 加入了CLK2外部變速控制附加時鐘, 并由EN1信號控制是否允許變速。在本次設計中直流電機轉速進行了32級細分。其仿真波形如圖4.6，細分計數(shù)器的初值我設為08H，也就是十進值的8，當計數(shù)器CNTB的值小于8時，AGB輸出高電平，當計數(shù)器CNTB的值大于8時，AGB的輸出值為低電平，從而產生PWM波形。圖10 A4.0=08H時電機加速PWM波形通過改變細分計數(shù)器的值就可以改變PWM的占空比，從而改變直流電機的速度。在圖11中

16、占空比D=8/32=0.25，在圖4.7中占空比D=4/32=0.125。通過以上兩組數(shù)據(jù)比較以與分析仿真波形我們可以看出，只要改變使能端電平的高低，便可以改變細分計數(shù)器的值，也就是改變細分計數(shù)器CNTA的初值，從而可以改變直流電機的占空比，改變直流電機的速度。圖11 A4.0=04H時電機減速PWM波形調節(jié)PWM波的占空比是電機調速的重要手段，若脈寬計數(shù)器CNTA的值逐漸增大，輸出脈沖的開啟時間變大，PWM占空比逐漸變大，功率器件輸出給電機電樞的能量增加，電機加速。若脈寬計數(shù)器定時器CNTA的值減小，輸出脈沖的開啟時間變小，PWM占空比逐漸變小，功率器件輸出給電機電樞的能量減少，電機減速。當

17、電機得到加速信號，占空比增大至它可調圍的最大值后保持，電機得到減速信號，占空比減小至它的可調圍的最小值后保持。2.3.5 邏輯控制模塊如圖12所示FPGA中的工作/停止控制和正/反轉方向控制電路，其兩個二選一多路選擇器加上兩個與門根據(jù)邏輯原理組合而成。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端接高電平時，表示電源接通，電機開始運轉；當START端接低電平時，電機停止運轉。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

18、進入H橋，電機反轉。仿真如圖13所示。圖12 FPGA中的工作/停止控制和正/反轉方向控制電路圖13 正/反轉工作控制電路波形當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。仿真如圖14所示。圖14工作/停止電路波形2.4 電路的總仿真圖2.4.1正/反轉控制仿真鍵盤Z_F是電機的方向控制鍵。當要求電機正轉時，只需要按下鍵Z_F，表示Z_F輸出高電平，即Z_F=1，電機正轉，如圖17所示。當鍵Z_F松開時，Z_F0時，電機反轉，如圖15、圖16所示。圖17 電機正轉圖15 電機反轉圖16 電機正反轉2.4.2 啟/?？刂品抡鍿TART鍵是電機的啟動鍵，當

19、按下START鍵時，START=1,電機進入運行狀態(tài)，如圖18所示。反之，START=0時，電機停止，如圖19、圖20所示。圖18 啟動仿真波形圖19 停止仿真波形圖20 啟/停仿真波形2.4.3 加/減速仿真鍵盤EN1控制電機是否允許變速。所以通過改變EN1便可以改變設定值H4.0的值，也就是設定值的初值，從而改變了直流電機的占空比，改變直流電機的速度，達到調速的目的。因為CNTB是5位的計數(shù)器，所在本設計中直流電機轉速細分為32級。如圖21的占空比為2/32=0.0625，同理通過按鍵EN1該變H4.0的值便得到如圖22、23的PWM仿真波形，其占空比依次為0.125、0.25，也就是占空

20、比增大，電機的速度增加。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)比較與仿真波形的分析可以看出，電機的速度在逐漸的增加。所以通過改變EN1的值可以改變直流電機的PWM占空比，從而改變直流電機的速度。圖21 H4.0=02H仿真波形圖22 H4.0=04H仿真波形圖23 H4.0=08H仿真波形2.4.4 仿真結果分析通過2.5.1到2.5.3的仿真波形分析可知，本設計中的各項功能夠很好的實現(xiàn)。在時鐘脈沖的作用下，計數(shù)器CNTA和CNTB都能按照事先設定好的規(guī)則進行計數(shù)。CNTA是可控的加減計數(shù)器，U_D控制其計數(shù)的方向，EN1用于設定其初值，當NE1由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就完成了設定值。CNTB是5位二進制計數(shù)器，其在時

21、鐘脈沖CLK0的作用下一直加數(shù)，當它加到32時就自動返回到0再重新加數(shù)。兩路計數(shù)器同時加到數(shù)字比較器LMP_COMPARE上，當CNTB的值小于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，當CNTB的值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出低電平。因此改變設定值的大小就可以改變PWM波形的大小，也就是完成了電機的調速。Z_F是電機的方向按鍵，選擇PWM波形的進入方向，當其為1時，電機正轉，反之，反轉。至于電機的控制，是在它的輸入端加上兩個與門來控制電機的啟動與停止。其具體的操作如下：當按下鍵Z_F鍵時，電機正轉，松開鍵時，電機反轉。當按下鍵START時，電機開始工作，松開時，電機停止工作。通過按鍵EN1的閉合與斷開

22、可以改變H4.0的值從而改變直流電機的PWM占空比，達到改變直流電機速度的目的。本設計采用VHDL設計FPGA 脈寬調制控制方案, 計算機仿真和對直流電機控制的結果表明,該電路能有效地產生PWM 控制信號控制電機的轉速, 控制精度由FPGA 中的數(shù)字比較器決定。在本設計中，采用的數(shù)字比較器為5位, 若增加數(shù)字比較器的位數(shù), 就可以提高電機轉速的控制精度。電路中省去了D/A 轉換器使電路變得更加簡潔, 同時也降低控制器的成本。FPGA 部采用狀態(tài)機結構, 遇到干擾時, 能很快從異常狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài), 保證了控制系統(tǒng)具有高的可靠性。從以上的仿真中可以看出，基于FPGA的直流電機的控制能夠達到很

23、好的預期效果。3、課程設計結論與心得體會本次EDA課程設計題目為直流電機調速器設計，實現(xiàn)用PWM對于電機的控制。此次課設需要用硬件描述語言（VHDL）編寫程序，并在Quartus II軟件平臺上進行程序的編譯和仿真，鎖定引腳并下載到可編程邏輯器件（試驗箱）中，進行硬件的測試。此次EDA課程設計歷時兩周時間，兩人一組合作進行系統(tǒng)的設計。程序的編寫我們采用元件例化的形式，經過思考和相互間的分析討論，將整個系統(tǒng)劃分3個功能模塊，彼此配合進行3個功能模塊設計和程序的編寫。其間，我們亦遇到許多問題，諸如整個系統(tǒng)核心模塊計數(shù)過程的實現(xiàn)，時鐘頻率的設定等等。經歷兩周時間的不懈努力和隊友之間愈加默契的配合，我

24、們終于完成預定的目的。雖然其中遇到很多困難，很多問題，但在我們兩人相互支持和鼓勵想下，都能夠得以順利的找到解決辦法或者改進的方法，并在合作中相互提高，彼此進步，在困難在中體會到合作的樂趣。EDA技術對于我們電子信息工程專業(yè)的學生來說是一本很重要的專業(yè)技術課程，EDA技術極提高了電路設計的效率和可操作性，減輕了設計者的勞動強度，是一門實際應用很廣泛的技術?，F(xiàn)在對EDA的概念或疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產、生物、醫(yī)學、軍事等各個領域，都有EDA的應用。目前EDA技術已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設計、性能測試與特性分析直到飛行模

25、擬，都可能涉與到EDA技術。所以，EDA課程的學習對于我們自身素質和能力的提高有十分重要的積極作用，應該很認真的學習。4、儀器儀表清單器件型號/參數(shù)數(shù)量SOPC/EDA開發(fā)系統(tǒng)GW481套微型計算機聯(lián)想1臺Quartus軟件6.01套表一 儀器儀表清單5、參考文獻1 松著.EDA技術實用教程(第二版). ：科學,2005.2 康華光主編.電子技術基礎 模擬部分. ：高教,2006.3 閻石主編.數(shù)字電子技術基礎. ：高教,2003.6、致這次課程設計感指導老師田漢平的悉心教導，也感其他老師對我們的幫助，同時感課程設計帶隊的老師們。特別提出的是在本課題方案的選擇上，岳老師給予了我們很多建議，且在

26、解決課程設計遇到的困難上，岳老師田老師給了我們很大的幫助。同樣感同學們的通力合作，成功不是屬于一個人的，而是屬于大家的。附錄 電路完整程序程序LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNTA ISPORT(CLK: IN STD_LOGIC; U,T:IN STD_LOGIC; EN: IN STD_LOGIC; M: OUT STD_LOGIC; CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END CNTA;ARCHITECTURE BEH

27、AV OF CNTA ISSIGNAL CQL:STD_LOGIC_VECTOR( 4 DOWNTO 0);SIGNAL U_TEM :STD_LOGIC;SIGNAL T_TEM :STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK)BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN U_TEM<=U; T_TEM<=T; IF EN='1' THEN IF U_TEM='0' AND U='1' THENIF CQL="11111" THEN CQL<="11111" ELSE CQL<=CQL+1;END IF;ELSIF T_TEM='0' AND T='1' THENIF CQL="00000" THEN CQL<="00000"