電機調速控制設計

1、系統(tǒng)設計專題之電機調速控制設計 學院： 自動化與電氣工程學院 班級： * 姓名： * 學號： * 日期： * 1CPLD系統(tǒng)簡介1.1CPLD簡介CPLD(Complex Programmable Logic Device)復雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結構復雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統(tǒng)。1.2CPLD系統(tǒng)的基本構架主要包括有處理器、外圍

2、電路及接口和外部設備三大部分其中外圍電路一般包括有時鐘、復位電路、。程序存儲器、數據存儲器和電源模塊等部件組成。外部設備一般應配有USB、顯示器、鍵盤和其他等設備及接口電路。在一片CPLD微處理器基礎上增加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個CPLD核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在ROM中。1.3CPLD系統(tǒng)的特點采用32位EPM3032A微處理器和實時操作系統(tǒng)組成的CPLD控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)和基于PC的控制方式相比，具有以下突出優(yōu)點：性能方面：采用32位RISC結構微處理器，主頻從30MHz到1200MHz以上，接近PC機的水平，但體積更小，能夠真正

3、地“嵌入”到設備中。實時性方面：CPLD機控制器內嵌實時操作系統(tǒng)（RTOS），能夠完全保證控制系統(tǒng)的強實時性。人機交互方面：CPLD控制器可支持大屏幕的液晶顯示器，提供功能強大的圖形用戶界面，這些方面的性能也接近于PC，優(yōu)于單片機。系統(tǒng)升級方面：CPLD控制器可為控制系統(tǒng)專門設計，其功能專一，成本較低，而且開放的用戶程序接口（API）保證了系統(tǒng)能夠快速升級和更新。1.4CPLD技術的應用領域CPLD技術可應用在：工業(yè)控制；交通管理；信息家電；家庭智能管理；網絡及電子商務；環(huán)境監(jiān)測；機器人等領域。在工業(yè)和服務領域中，大量CPLD技術也已經應用于工業(yè)控制、數控機床、智能工具、工業(yè)機器人、服務機器人

4、等各個行業(yè)，正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產和服務方式。例如，飛機的電子設備、城市地鐵購票系統(tǒng)等都可應用CPLD系統(tǒng)來實現。2設計內容2.1任務目標根據所學的CPLD系統(tǒng)的知識，通過硬件和軟件想結合，編程控制電機的正轉、反轉、加速和減速。2.2硬件原理圖硬件原理圖如圖1所示：EPM3032A芯片起到接收PWM信號并實現對電機的控制的作用。圖1 硬件原理圖2.3 H橋原理圖H橋電動機驅動電路包括4個三極管和一個電機。如圖2所示。要使電機轉動，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管的導通情況，電流可能從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。圖2 H橋原理圖當G1和G4導通時，電機受正向電

5、壓，導通一段時間后，令G4截止，由于電機中存在電感，電流不能突變，電流經G1和Q3導通續(xù)流，此時電動機兩端的變壓為零，輸出電壓的均值為電動機的電壓。這樣就實現了電機的正轉。 在周期不變的情況下，改變變換器輸出電壓的占空比，就改變了輸出電壓均值，也就改變了電機的轉速。當輸出高電平的時間增大，而低電平所占的時間減小時，此時實現的是加速，反之就是減速。當G2和G3導通，電機受負向電壓，導通一段時間后，令G2截止，由于電機中存在電感，電流不能突變，電流經G3和Q1導通續(xù)流，此時電動機兩端的變壓為零，與正轉類似，這樣就實現了電機的反轉。反轉時也能實現加減速，同正轉。2.4直流電機調速直流電機控制驅動芯片

6、:L9110.L9110 是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電 路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個 TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有 較大的電流驅動能力，每通道能通過 800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達 1.5A；同時它 具有較低的輸出飽和壓降；內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅動 繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。L9110 被廣泛應用于玩具汽 車電機驅動、脈沖電磁閥門驅動，步進電機驅動和開關功率管等電路上

7、。圖3 L9110管腳定義、參數L9110直流電機控制芯片的管腳波形圖：圖4 L9110管腳波形圖L9110直流電機控制芯片的電路接線圖。圖5 L9110電路接線圖利用脈沖寬度調制（PWM）原理進行調速。PWM是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓。如圖3所示。通過改變周期來控制輸出頻率，而輸出頻率的變化可通過改變脈沖的調制周期來實現。圖6 脈沖寬度調速原理圖平均電壓：。為PWM脈沖的占空比，決定平均電壓的大小。占空比越大，電路開通時間越長。PWM具有以下優(yōu)點：（1）無需進行數模轉換；（2）抗噪性能強，PWM是數字形式的，噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?，才能對數字信號產生

8、影響，PWM用于通信時極大的延長通信距離； （3）PWM既經濟也節(jié)約空間。 3 實驗一，熟悉編程環(huán)境與仿真工具3.1Quartus編程軟件 Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware 支持Description Language）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PCLD設計流程。3.2在系統(tǒng)可編程器件設計步驟 1.創(chuàng)建新設計項目：設計的第一步，它的任務是建立一個項目，包括項目文件和項目標題。 2.選擇器件：在器件選擇窗口中選擇要使用

9、的器件。針對某個可編程器件進行設計時，建立項目后，應首先選擇器件。 3.輸入和修改源文件：設計過程中最重要的一步。所有的設計思想通過源程序的形式輸入計算機。一個項目可能由一個或多個源文件組成。 4.編譯與優(yōu)化：編譯用途和其他語言是一樣的。若不能通過編譯，則需修改源文件。 5.仿真：使用ModelSim軟件進行仿真。目的是對設計的正確性進行檢驗。從功能上對設計的正確性進行檢查，它假定信號的傳輸時間為0，與適配器的時間無關。若仿真結果與設計要求不符，則需修改設計。   6.下載：通過下載電纜，將生成的pof數據文件下載到電路EPM3032ATC44-10器件中。下載又稱為編程。一個器件只

10、有經過下載這一步驟，才能將設計成果轉化為該器件的功能，在電路板上發(fā)揮應有的作用。 3.3建立由原理圖源文件組成的設計1.創(chuàng)建一個新的設計項目（1）選擇菜單File->New Project，在Create Project Wiszard對話框的Work Director欄中，選擇工程保存路徑，在Name中鍵入項目名。（2）按Next按鈕，出現添加工程文件的對話框，如下圖：這里先不管它，然后按next進行下一步，選擇FPGA器件的型號，如下圖：（3）在Family下拉框中，選擇MAX3000A系列，選擇此系列的具體芯片EPM3032ATC44-10。執(zhí)行next出現選擇其它EDA工具對話框

11、，Simulation選項中Tool name選擇ModelSim-Altera，Format(s)選擇SystemVerilog HDL,按next進入工程的信息總概對話框;（4）按Finish按鈕即建立一個項目。2.建立一個Verilog文件（1）執(zhí)行FileNew，彈出新建文件對話框，如下圖：選擇Verilog HDL File,點擊OK,開始程序編寫。雙擊左側下方Tasks窗口中的Compile Design，對程序進行編譯；編譯如果出現錯誤，對程序進行修改，直至完全編譯成功。（2） 選擇Processing->Start->Start Test Bench Templat

12、e Writer,生成激勵文件.vt。選擇Files->open,打開工程文件夾下simulation->modelsim中All Files里的.vt文件，對其進行修改，使輸入信號初始化，將系統(tǒng)時鐘信號進行延時，避免出現仿真時內存不夠的情況，修改后點擊保存。如下圖：（5）為仿真添加激勵文件。選擇Assignments->setting->EDA Tool Settings->Simulation，在NativeLink settiong下，選擇Compile test bench，點擊Test Benches。在彈出的Test Benches窗口下點擊New,彈

13、出New Test Bench Settings窗口。在Test bench name下命一個名字，在Top level module in test bench中輸入.vt文件中帶有_vlg_tst的名字。勾選Use test bench to perform VHDL timing Simulation，在Design instance name in test bench中輸入i1;點擊下方Test bench and simulation files下的File name后的.，選擇.vt文件，點擊Add。連點OK，直至回到Quartus主界面。如下圖3.4建立一個 MSim 的工程，

14、將其放在了D:pro 下，建立完成后樣子如圖 3.1：圖7 軟件主界面然后，編譯，打開MSim.vt文件，編輯輸入模擬量（#2 repeat(3000) #2 GCLK<=GCLK;）。如圖5所示：圖8 編輯輸入模擬量配置modelsim仿真設置，打開仿真器，仿真結果如下： 圖9 仿真波形4 實驗二，電機調速控制編程與調試4.1編程根據任務要求，編寫程序如下：程序有5個輸入和2個輸出。clk為時鐘脈沖輸入，SW1、SW2、SW3和SW4分別代表控制電機的啟動/停止、正/反轉、加速和減速。首先檢測脈沖新信號的上升沿，設定一個寄存器，記錄脈沖個數。然后對按鍵進行判斷。加速和減速控制是通過改變

15、參考值，以實現改變占空比，實現調速。程序1：圖10 控制程序4.2調試結果及分析1）連接界面2）下載程序界面。圖12 控制程序下載界面4.3仿真結果1. PWM正轉仿真波形1）進行仿真輸出波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed = 2'b11、flag_zhengzhuan=1;）圖13 正轉加速波形2）進行仿真輸出波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed = 2'b10、flag_zhengzhuan=1;）3）進行仿真輸出波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed <= 2'b01、flag_zhengzhuan=1;）4）進行仿真輸出

16、波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed = 2'b00、flag_zhengzhuan=1;）2. PWM反轉仿真波形2）進行仿真輸出波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed = 2'b11、flag_fanzhuan=1;）2）進行仿真輸出波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed = 2'b10、flag_fanzhuan=1;）2）進行仿真輸出波形如圖所示，能夠實現電機正轉加速:（speed = 2'b01、flag_fanzhuan=1;）5 總結首先，通過系統(tǒng)設計專題這門課，學習了什么是CPLD系統(tǒng)，對CPLD系統(tǒng)的一些知識（如

17、定義，基本構架，特點，應用及發(fā)展前景等）有了一些基本的了解，對CPLD有了更系統(tǒng)的認識。CPLD系統(tǒng)就是將計算機硬件和軟件結合起來構成的一個專門的裝置，這個裝置可以完成一些特定的功能和任務，能夠在沒有人工干預的情況下獨立地進行實時監(jiān)測和控制。其次，通過親自動手編寫相應的程序來完成實驗，鍛煉了獨自解決問題的能力。同時，在完成目標的過程中，發(fā)現了一些問題，比如學習并掌握理論知識并不難，將理論知識應用到實際的工程上就很難了，恰恰我們缺乏的就是這種能力，老師們能夠根據學生的情況將該課程設定為為實踐課程而不是一味的講解理論，對學生提高實踐能力很有幫助。最后，在龔老師的指導和幫助下，通過自己的努力和同學進

18、行討論，最終能順利完成既定的目標。附錄一實驗一程序：module MSim(GCLK, PWMAH);input GCLK;output PWMAH;reg3:0 q; /reg PWMAH;initialbeginPWMAH <= 0;q = 0;endalways (posedge GCLK) /if(q = 1)begin PWMAH <= 1; q = q+1;endelse if(q = 9)beginPWMAH <= 0;q = q+1;endelse if(q = 15)q = 0;else q = q+1;endmodule附錄二實驗二程序：module MS

19、im(clk, SW1, SW2, SW3,SW4, pwm1, pwm2); input clk; input SW1;/電機啟/?？刂瓢存Iinput SW2;/電機正/反轉控制按鍵input SW3;/電機減速控制按鍵input SW4; /電機加速控制按鍵/*呂憲龍*輸出控制變量*/output pwm1; /正轉output pwm2; /反轉/*呂憲龍*定義寄存器鎖住信號*/reg pwm1;reg pwm2;reg1:0 speed;reg6:0 cnt;reg flag_zhengzhuan; /正轉標志位reg flag_fanzhuan; /反轉標志位reg flag; /正

20、反轉換擋/防抖設計reg2:0 dout1,dout2,dout3,buff; /消抖寄存器wire2:0 key_edge;/按鍵消抖輸出/*呂憲龍*程序變量初始化*/initialbegin pwm1 = 0;pwm2 = 0;speed = 2'b00;/dir = 2;flag_zhengzhuan = 0;flag_fanzhuan = 0;flag = 0;end/*呂憲龍*程序循環(huán)體部分*/always(posedge clk)beginif(cnt < 7'd100)cnt <= cnt + 7'b1;else cnt <= 7'

21、;b0;end always(posedge clk)beginif(!SW1)/電機啟動/停止控制按鍵begin if( flag_fanzhuan = 0 && flag_zhengzhuan = 0 ) /電機正在停止，則運行beginflag_zhengzhuan = 1;flag_fanzhuan = 0;speed <= 2'b10;end else if(speed = 0) /速度為零，則啟動speed <= 2'b10; else if(speed != 0 ) /速度不為零，則停止flag_zhengzhuan = 0;flag_

22、fanzhuan = 0;endif(!SW2) /電機正轉/反轉控制按鍵beginif(flag_zhengzhuan = 1) /電機正在正轉，則反轉beginflag_zhengzhuan = 0;flag_fanzhuan = 1;endelse if(flag_fanzhuan = 1) /電機正在反轉，則正轉beginflag_zhengzhuan = 1;flag_fanzhuan = 0;end/speed <= 2'b10;endif(!SW3) /電機加速控制按鍵beginspeed <= speed + 1;endif(!SW4 ) /電機減速控制按鍵beginspeed <= speed - 1;endif(flag_zhengzhuan=1) /電機正轉調速beginpwm2 = 0;if(speed = 2'b11) /4檔beginif(cnt < 7'd02)pwm1 <= 1'b0;elsepwm1 <= 1'b1;endelse if(speed = 2'b10) /3檔beginif(cnt < 7&#