課程方案及對策直流電機說明說

1、-. z.科技大學課 程 設 計 說 明 書課程名稱 現(xiàn)代電子系統(tǒng)課程設計 題 目直流電機控制設計學 院 電子信息工程學院班 級 電信科081 學生 000指導教師 齊晶晶 、 雷鳴日 期 2018年12月16日 課程設計任務書指導教師填寫）課程設計名稱 現(xiàn)代電子系統(tǒng)課程設計 學生 袁偉偉_專業(yè)班級 信科081 設計題目 直流電機控制設計 課程設計目的學習直流電機PWM的FPGA控制；掌握PWM控制的工作原理；掌握GW48_SOPC實驗箱的使用方法；了解基于FPGA的電子系統(tǒng)的設計方法。設計容、技術(shù)條件和要求利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)直流電機的速度控制。1）基本要求：a速度調(diào)節(jié)：4檔，數(shù)字顯示其檔

2、位。b能控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。c通過紅外光電電路測得電機的轉(zhuǎn)速，設計頻率計用4位10進制顯示電機的轉(zhuǎn)速。2）發(fā)揮部分a設計去抖動”電路，實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的精確測量。b修改設計，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制，旋轉(zhuǎn)速度可設置。c其它。時間進度安排布置課題和講解：1天查閱資料、設計：4天實驗：3天撰寫報告：2天主要參考文獻何小艇 電子系統(tǒng)設計 大學 2008.1松 黃繼業(yè) EDA技術(shù)實用教程 科學 2006.10齊晶晶 現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計實驗指導書 電工電子實驗教案中心 2009.8指導教師簽字： 2018年 11月28日摘要電機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。電動機也俗稱馬達，它的主要

3、作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。21世紀，在工業(yè)化集成電路設計中，直流電機得到了廣泛的應用，直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，廣泛應用于收錄機、錄像機、電吹風、電子表、玩具等。所以，多功能、人性化、易操作的電機設計成了一個趨勢。本文對于直流電機方面的研究，是基于Quartus2軟件，利用FPGA器件，通過VHDL語言編程對直流電機進行基本的自動操作控制。 本次直流電機主要有以下功能：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過檔位來實現(xiàn)，檔位為一、二、三、四檔，每個檔位都設定自己的速度，隨著檔位的的升高速度逐漸增大，速度的改變通過改變PWM信號的占空比來是實現(xiàn)。正反轉(zhuǎn)控制。設置一個按鍵，調(diào)

4、節(jié)按鍵時電機能夠改變轉(zhuǎn)動方向。原理為檔按下按鍵時，改變了加在電機兩端電壓的極性。轉(zhuǎn)速顯示。轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)動時會有一個速度，速度能夠正確的顯示在數(shù)碼管上，并能用實驗儀器正確測出。原理為設計一個頻率計，測試電機轉(zhuǎn)速。目錄 TOC o 1-3 h z u TOC o 1-3 h z u 一、任務解讀51.1設計要求51.2要求分析5二、方案論證62.1設計思路62.2 思路實現(xiàn)7三、設計原理及模塊83.1 電機驅(qū)動原理83.2 頻率計計數(shù)原理83.3 PWM模塊電路原理93.3.1 轉(zhuǎn)速控制模塊103.3.2 頻率計計數(shù)模塊113.4 數(shù)碼管讀數(shù)模塊123.5 消抖電路模塊設計123.6 總體電路圖及其它1

5、3四、結(jié)果評估及誤差分析16五、心得體會總結(jié)17六、參考文獻18一、任務解讀1.1設計要求本設計利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)直流電機的速度控制。要求電機的速度要分為四檔，要求有數(shù)碼管可以檔位顯示。通過按鍵可以控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，通過紅外光可以測得直流電機的轉(zhuǎn)速，并能在數(shù)碼管上用4位十進制顯示電機具體的轉(zhuǎn)動速度。在整個電路中，要有去抖動部分，以現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的精確測量。在基本功能實現(xiàn)之后，可以嘗試修改設計，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制，這樣可以隨意設置旋轉(zhuǎn)速度。1.2要求分析根據(jù)設計要求，本次電路的實現(xiàn)大概要分為以下幾大部分：1. FPGA中PWM模塊。2.頻率計計數(shù)模塊。3. 數(shù)碼管讀數(shù)模塊4.消抖電路

6、模塊由此，可以得出整個電路系統(tǒng)的原理框圖：二 、方案論證2.1設計思路此次電機設計主要實現(xiàn)的功能是：四檔速度；電機正反轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)速顯示；四檔轉(zhuǎn)速的實現(xiàn)在硬件上通過按鍵實現(xiàn)，按下一次加一檔，檔位升高，檔速提高，軟件方面通過程序來設置不同的檔位占空比，占空比不同，轉(zhuǎn)速也就不同。當輸入電源的占空比大時，直流電機的轉(zhuǎn)速較快；當輸入電源的占空比小時，直流電機的轉(zhuǎn)速較慢。直流電機轉(zhuǎn)動方向的控制，主要是通過一個比較器，一個二選一選擇器來實現(xiàn)。通過比較器產(chǎn)生高低電平，然后通過鍵盤輸入的改變來選擇通過比較器產(chǎn)生的兩個不同電平中的一個，最后把選擇的電平加載到直流電機模塊上，至此，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。直流電機的工

7、作/停止，需要一個二選一選擇器來實現(xiàn)。即當通過鍵盤輸入start為1或0時，把二選一選擇器選擇PWM塊所產(chǎn)生的高低電平作為直流電機模塊的一個輸入端口，作為使能端，從而實現(xiàn)電機的工作/停止。2.2 思路實現(xiàn)由上所知，本次設計的關(guān)鍵部分是PWM模塊的設計。該模塊可以詳細分為下面幾個小模塊：速度等級設置模塊、數(shù)字比較器模塊、鋸齒波發(fā)生器、旋轉(zhuǎn)方向控制模塊。PWM模塊設計是整個電路設計的基礎(chǔ)，只有很好的實現(xiàn)并產(chǎn)生了直流電機的四個不同速度等級，通過比較器所產(chǎn)生的高低電平，進而通過二選一選擇器實現(xiàn)了方向控制信號的高低電平選擇，后面的頻率計計數(shù)模塊和數(shù)碼管讀數(shù)模塊才能更好的實現(xiàn)。三、設計原理及模塊3.1 電

8、機驅(qū)動原理一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行,也可以作為發(fā)電機運行,這種原理在電機理論中稱為可逆原理。當原動機驅(qū)動電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組上感生出電動勢，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負載自輸入通道經(jīng)過整形、放大和微分形成于u(t周期個數(shù)相同的計數(shù)脈沖進入主控與門”電路，在門控雙穩(wěn)態(tài)電路開門訊號的控制下，將計數(shù)脈沖送入計數(shù)、鎖存、譯碼、驅(qū)動與顯示電路，有LED半導體發(fā)光數(shù)碼管）、LCDf 1輸入通道主控與門計數(shù)譯碼顯示門控雙穩(wěn)分頻/倍頻晶振f03.3 PWM模塊電路原理PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等效地獲得所需要的

9、波形。 圖二中，設定值計數(shù)器設置PWM信號的占空比。當UD=1，輸入CLK2，使設定值計數(shù)值的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機轉(zhuǎn)速加快；當UD=，輸入CLK2使設定值計算器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機轉(zhuǎn)速變慢。在CLK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)字比較器輸出低電平； 當計數(shù)值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。旋轉(zhuǎn)反向控制電路控制直流電動機轉(zhuǎn)向和啟/停，該電路由兩個選多路選擇器組成，ZF鍵控制選擇PWM波形從正端Z進入H橋，還是從負端進入H橋，以控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。START鍵通過與”門控制PWM的輸出，實

10、現(xiàn)對電機的工作/停止控制。橋電路由大功率晶體管組成，PWM波形通過方向控制電路送到H橋，經(jīng)功率放大以后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。3.3.1 轉(zhuǎn)速控制模塊在用FPGA控制直流電機轉(zhuǎn)速時，其核心是改變每個PWM周期的占空比。此時需要產(chǎn)生一個設定值計數(shù)器，一個鋸齒波發(fā)生器和一個數(shù)字比較器。設定值計數(shù)器就是根據(jù)按鍵按下時選取的不同檔位，輸出一個不同的數(shù)值。本次設計速度分為四檔，檔位為0時轉(zhuǎn)速為0，每增加一檔，轉(zhuǎn)速相應增加，四檔時轉(zhuǎn)速達到最大。據(jù)此，首先要設計一個檔位調(diào)節(jié)模塊，當輸入不同的檔位數(shù)值時，要輸出一個計數(shù)值，這個數(shù)值規(guī)定了設定值計數(shù)器的輸出數(shù)值。當檔位增加時，設定值計數(shù)器的值相應增加，從而改變PWM信號占

11、空比，使其占空比增大，電機轉(zhuǎn)速加快。設定值計數(shù)器的輸出加到比較器的一端，和鋸齒波發(fā)生器的數(shù)值進行比較。鋸齒波發(fā)生器的數(shù)值來自對CLK0的分頻，它的位數(shù)取決于電機能夠達到的最大轉(zhuǎn)數(shù)。我們實驗室的電機大概在70轉(zhuǎn)左右，所以鋸齒波發(fā)生器的位數(shù)不應低于7位，若更低的話，每改變一位數(shù)，對應的轉(zhuǎn)數(shù)還達不到一轉(zhuǎn)，這樣就不能對每一轉(zhuǎn)進行細分，也就無法精確控制電機的轉(zhuǎn)速。3.3.2 頻率計計數(shù)模塊轉(zhuǎn)速顯示模塊實際上就是設計一個頻率計。電機轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)一圈，電機旁邊的紅外檢測電路就會產(chǎn)生一個脈沖。把這個脈沖通過一個消抖電路后作為頻率計待測頻率的輸入端。頻率計部分的工作原理是：先設置一個計數(shù)器，然后由1Hz的輸入時

12、鐘經(jīng)過倍頻得到2Hz的時鐘信號，當2Hz的時鐘信號為高電平時，去檢測有無紅外電路的脈沖信號到來，每當紅外脈沖信號到來，計數(shù)器加一。其原理就是檢測在一秒時間紅外電路產(chǎn)生的脈沖的個數(shù)，即檢驗在一秒時間電機轉(zhuǎn)動了多少圈。最后把一秒時間電機轉(zhuǎn)過的圈數(shù)輸出到數(shù)碼管顯示。頻率計計數(shù)模塊模塊的總體框圖：3.4 數(shù)碼管讀數(shù)模塊該模塊的原理是：當輸入端信號lk為高電平且為上升沿時，輸出端dout讀出輸入端din當時的值，并在數(shù)碼管上顯示出來。數(shù)碼管讀數(shù)模塊的總體框圖如下圖14所示：數(shù)碼管讀數(shù)模塊的框圖3.5 消抖電路模塊設計 紅外檢測電路產(chǎn)生的脈沖信號在加到頻率計輸入端時，在開始的一段短暫的時間里，會產(chǎn)生抖動，

13、所以要設計一個消抖電路去除抖動。消抖電路設計原理圖如下：消抖電路原理圖輸入信號開始會有一段抖動，然后頻率趨于穩(wěn)定。很明顯，抖動的那一段信號的周期相對于穩(wěn)定后的信號來說很短。我們就可以通過兩個D觸發(fā)器濾除抖動的那一段信號。假設第一個D觸發(fā)器的輸出為D1，第二個D觸發(fā)器的輸出為D2。當CLK上升沿到來時，若這時的輸入信號為高電平，則輸出的D1就為1，D1經(jīng)過一個非門變成0，D1的非與D2相與，輸出是0。第二個CLK上升沿到來時，若輸入信號還為高電平，則這時D1為1，D2為1，D1的非與D2相與，輸出還是0。只有當CLK上升沿到來，輸入信號變成低電平時，這時D1變成0，D2為1，D1的非與D2相與后

14、，輸出才為1。由此分析，當CLK頻率選取合適時，在一個輸入信號高電平到來時，至少需要兩個CLK周期才能輸出高電平，而抖動的那一段信號由于周期太短，滿足不了這個要求，因此抖動信號就不會輸出，這樣就完成了消抖功能。3.6 總體電路圖及其它 電路圖：管腳鎖定情況：PWM信號的占空比隨著檔位的不同而改變的原因：由前面所知，已經(jīng)設計好了一個設定值計數(shù)器和一個鋸齒波發(fā)生器，這兩個數(shù)值加在數(shù)字比較器輸入端進行比較；當設定值計數(shù)器的值大于鋸齒波比較器的值時，比較器輸出高電平；當設定值計數(shù)器的值小于鋸齒波比較器的值時，比較器輸出低電平。鋸齒波發(fā)生器其實就是一個計數(shù)器，它的變化圍是0-256，每來一個clk時鐘信

15、號，計數(shù)器就加1。如果我們現(xiàn)在設定一個計數(shù)值128，則在前128個clk時鐘信號，設定值都是大于計數(shù)值，比較器輸出高電平，后128個clk時鐘信號，設定值都是小于計數(shù)值，比較器輸出低電平；由此往復得知，在每一個PWM信號周期，高電平和低電平各占一半，因此占空比為50%。不同檔位對應不同的設定值，由此不同檔位下PWM信號的占空比改變，電機轉(zhuǎn)速也會改變。關(guān)于clk0：Clk0選取的頻率不能過高也不能過低。Clk0頻率過高時，相鄰兩個PWM周期信號之間高電平相距很近，當PWM信號的占空比增大時，由于兩個PWM信號周期相距很近，加在電機上的電壓可以認為一直是高電平，則再增大PWM信號的占空比時電機的轉(zhuǎn)

16、速就不會明顯的增大了。若CLK0的頻率再高，超過了H橋的承受能力的話，電機就不會轉(zhuǎn)了。CLK0頻率過低時，輸出的相鄰兩個PWM周期信號高電平相距較遠，這樣的PWM信號加到電機上，在低占空比的時候，和正常頻率，相同占空比的PWM信號相比，頻率低的PWM信號高電平維持的時間較長，這樣的話，當電機遇到高電平時，就會一直加速，遇到低電平時又一直減速，轉(zhuǎn)速很不穩(wěn)定。四、結(jié)果評估及誤差分析本次實驗用的模式5，完成整個程序仿真，管腳鎖定及下載后會有以下結(jié)果：按下按鍵1為電機使能鍵，實現(xiàn)電機啟動/停止；按下按鍵2一次，檔位提高一檔，電機轉(zhuǎn)速增加；按下按鍵3電機轉(zhuǎn)動方向改變。數(shù)碼管4、3、2、1顯示電機的轉(zhuǎn)速。

17、D1和D2用來顯示檔位，D1為個位顯示，D2為十位顯示?；竟δ軐崿F(xiàn)正常；有所欠缺的是未能實現(xiàn)閉環(huán)電路的控制。 在實驗中，會發(fā)現(xiàn)電機有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，示波器測量頻率與數(shù)碼管顯示有一些誤差。end PWM 。architecture zldj of PWM is signalt4 : std_logic_vector(1 downto 0 。 signalt16 :std_logic_vector(7 downto 0 。 signal agb :std_logic 。 signal speed :std_logic_vector(7 downto 0 。 beginprocess(rst,lev

18、el -速度等級設置模塊beginif rst=1 thent40。elsif level=1 and levelevent thent4beginif rst=1 then speed0。elsif clkevent and clk=1 thencaset4 is WHEN 00 = speed speed speed speed NULL 。 END CASE 。end if。END PROCESS。process(clk,rst -數(shù)字比較器模塊beginif rst=1 thenagbspeed then agb=1。 else agb -鋸齒波模塊beginif rst=1 then

19、t160。elsif clk=1 and clkevent thent16 -旋轉(zhuǎn)方向控制模塊beginif rst=1 thenz=0。f=0。elsif clkevent and clk=1 then if z_f=1 then z=agb。 f=0。 else z=0。 f=agb。 end if。end if。end process。zkb=agb。level_display0 。level_display1 。end 。4Hz信號轉(zhuǎn)換成1Hz信號模塊：library ieee。use ieee.std_logic_1164.all。use ieee.std_logic_unsigne

20、d.all。entity FTCTRL isport(clkk:in std_logic。t_en:out std_logic。 rst_t:out std_logic。 load:out std_logic。end FTCTRL。architecture one of FTCTRL issignal div2clk:std_logic。beginprocess(clkkbeginif clkkevent and clkk=1 thendiv2clkbeginif clkk=0 and div2clk=0 then rst_t=1。else rst_t=0。end if。end process。load=not div2clk。t_en。END。architecture one of T32B issignal tmp1,tmp2,tmp3,tmp4:std_logic_vector(3 downto 0。begin process(CLR,EN