设计--直流电机综合测控系统设计资料

目录

1. 综述 (2)

2. 研究背景 (3)

3. 电机速度控制系统的设计及模拟仿真 (3)

3.1系统工作原理 (4)

3.2 PWM脉宽调制信号产生电路描述 (5)

3.2.1可控的加减计数器CNTA (6)

3.2.2 5位二进制计数器CNTB (9)

3.2.3 数字比较器LPM-COMPARE (11)

3.2.4 PWM脉宽调制信号产生电路 (12)

4．运行控制逻辑电路描述 (14)

4.1 2选1多路选择器MUX21A (14)

4.2 工作/停止控制和正/反转方向控制电路 (17)

5. 直流电机PWM调速系统仿真 (18)

5.1建立工程项目PWM (18)

5.2 正/反转控制仿真 (19)

5.3启/停控制仿真 (20)

5.4加/减速仿真 (21)

5.5仿真结果分析 (22)

6. 设计总结 (23)

简易直流电机PWM综合控制系统设计

1.综述

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于CPLD/FPGA性能优越，具有较佳的性能价格比，所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好；同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。本文所介绍的系统是一个基于VHDL 的PWM 调速系统。由于PLD 具有连续连接结构，易于预测延时，使电路仿真会更加准确，且编程方便，速度快，集成度高，价格低，从而使系统研制周期大大缩短，产品的性能价格比提高。CPLD/FPGA芯片采用流行的VHDL 语言编程，并在Quartus II设计平台上实现了全部编程设计。

2.研究背景

电机作为机电能的转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域。近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的控制技术也得到了进一步的发展，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”、“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。

3.电机速度控制系统的设计及模拟仿真

如图1所示，基于FPGA的直流电机PWM控制电路主要由四部分组成：控制命令输入模块、控制命令处理模块、控制命令输出模块、电源模块。键盘电路、时钟电路是系统的控制命令输入模块，向FPGA芯片发送命令，FPGA芯片是系统控制命令的处理模块，负责接收、处理输入命令并向控制命令输出模块发出PWM信号，是系统的控制核心。控制命令输出模块由H型桥式直流电机驱动电路组成，它负责接收由FPGA芯片发出的PWM信号，从而控制直流电机的正反转、加速以及在线调速。电源模块负责给整个电路供电，保证电路

能够正常的运行。

图1 FPGA直流电机PWM 控制电路

3.1系统工作原理

在图1中所示的FPGA是根据设计要求设计好的一个芯片。START是电机的开启端，U_D控制电机加速与减速，EN1用于设定电机转速的初值，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。CLK2和CLK0是外部时钟端，其主要作用是向FPGA控制系统提供时钟脉冲，控制电机进行运转。

通过键盘设置PWM信号的占空比。当U_D=1时, 表明键U_D按下，

输入CLK2使电机转速加快；当U/D =0，表明键U_D松开,输入CLK2使电机转速变慢，这样就可以实现电机的加速与减速。

Z_F键是电机运转的方向按键，当把Z_F键按下时，Z_F=1，电机正转；反之Z/F =0时，电机反转。

START是电机的开启键，当START=1，允许电机工作；当START=0时，电机停止转动。

H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过由两个二选一电路组成的方向控制电路送到 H 桥, 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。并由EN1信号控制是否允许变速。

以上是在网上查询的关于直流电机的简易结构描述，我们电脑QuartusⅡ做的是FPGA内部逻辑组成。

控制逻辑VHDL描述

新建文件夹，以文件名PWM保存。

3.2PWM脉宽调制信号产生电路描述

图2 PWM脉宽调制信号产生电路

PWM脉宽调制信号产生电路由可控的加减计数器CNTA、5位二进制计数器CNTB、数字比较器LPM_COMPARE三部分组成。可控的加减计数器做细分计数器，确定脉冲宽度。当U/D=1时，输入CLK2,

使设定值计数器的输出值增加，PWM的占空比增加,电机转速加快；当U/D =0，输入CLK2,使设定值计数器的输出值减小,PWM的占空比减小，电机转速变慢。5位二进制计数器在CLK0的作用下,锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时，数字比较器输出高电平；当计数值大于设定值时,数字比较器输出低电平，由此产生周期性的PWM波形。

3.2.1可控的加减计数器CNTA

新建VHDL File文本，输入如下程序：

LIBRARY IEEE;

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY CNTA IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

U_D:IN STD_LOGIC;

CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0));

END CNTA;

ARCHITECTURE behav OF CNTA IS

SIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);

BEGIN

PROCESS(CLK)

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN

IF U_D='1' THEN

IF CQI<=31 THEN CQI<="11111";

ELSE CQI<=CQI+1; END IF;

ELSIF CQI=0 THEN CQI<="00000";

ELSE CQI<=CQI-1;END IF;

END IF;

END PROCESS;

CQ<=CQI;

END behav;

保存该文件并以文件名CNTA.vhd存盘，新建工程CNTA，编译CNTA.vhd。

如下图新建波形编辑图

图3 新建vwf

向波形编辑器拖入信号节点，并设置好仿真激励波形，以CNTA.vwf 存盘。仿真得如仿真波形输出报告。

图4 仿真波形输出报告

可控的加减计数器CNTA中的端口U_D控制计数器的方向，EN1是计数器的使能端，控制计数器初值的变化。U_D=1时，加减计数器CNTA在脉冲CLK2的作用下，每来一个脉冲，计数器CNTA加1，

U_D=0时，每来一个脉冲，计数器CNTA减1。使能端EN1设定计数器值的初值，当EN1由1变为0的时候，无论U_D如何表化，计数器的值都不会发生变化，这样就完成了计数器的设定值。

选择File—Create/Update—Create Symbol Files for Current File,生成Symbol供顶层文件调用。

图5 CNTA Symbol

图6 CNTA RTL

3.2.2 5位二进制计数器CNTB

如下图新建VHDL File格式文本

图7选择编译文件类型

输入如下程序

LIBRARY IEEE;

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY CNTB IS

PORT(CLK: IN BIT;

Q:BUFFER INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0);

END;

ARCHITECTURE BHV OF CNTB IS

BEGIN

PROCESS(CLK)

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

Q<=Q+1;

END IF;

END PROCESS;

END BHV;

保存该文件并以文件名CNTB.vhd存盘，新建工程CNTB，编译CNTB.vhd。

新建波形编辑器，向波形编辑器拖入信号节点，并设置好仿真激励波形，以CNTB.vwf存盘。仿真得如仿真波形输出报告。

图8 5位二进制计数器仿真波形

CNTB是一个简单的5位二进制计数器，它的工作原理和CNTA 的原理很相似，我们只是在CNTA的时钟端加了一个使能端U_D控制其加减的方向。而CNTB的时钟端没有加使能端，所以每来一个脉冲计数器加1，因为CNTB是一个5位的二进值计数器，所以当计数器的值当大于32时，计数器又重新从0开始记数，从而产生周期性的线性增加的锯齿波。

选择File—Create/Update—Create Symbol Files for Current File,生成Symbol供顶层文件调用。

图9 CNTB Symbol

图10 CNTB RTL

3.2.3 数字比较器LPM-COMPARE

选择Tools—Mega Plug-In Manager命令，按如下图示定制新的宏功能模块。

图11 LPM宏功能模块设定

图12设5位数据比较器

3.2.4 PWM脉宽调制信号产生电路

如下图新建原理图编辑窗

图13选择编辑类型

调用上述生成的Symbol和软件自带的常用端口，在编辑窗里连出图2所示的PWM脉宽调制信号产生电路。并新建成工程PWMmktz.新建波形编辑窗口，拖入信号节点。设置好仿真激励波形，以PWMmktz.vwf存盘。仿真得如仿真波形输出报告。

图14 数字比较器的仿真波形

数字比较器是产生PWM波形的核心组成部件，可控的加减计数器CNTA和5位二进制计数器CNTB同时加数字比较器LPM-COMPARE 两端作为两路输入信号，当计数器CNTB输出值小于细分计数器CNTA输出的规定值时, 比较器输出高电平; 当CNTB输出值大于细

分计数器CNTA输出的规定值时, 比较器输出低电平。改变细分计数器的设定值, 就可以改变PWM输出信号的占空比。为了便于观察防真波形，在CNTB的输出加上B[4..0]，在最后的设计中须删除不必要的的输出端口B[4..0]。

细分计数器CNTA是一个双向计数器, 可以进行加减计数,由

U_D控制其加/减计数方向, CLK是计数时钟输入端。为了便于连续变速控制, 在计数器的CLK端通过“与”门, 加入了CLK2外部变速控制附加时钟, 并由EN1信号控制是否允许变速。在本次设计中直流电机转速进行了32级细分。其仿真波形如图15，细分计数器的初值我设为08H，也就是十进值的8，当计数器CNTB的值小于8时，AGB输出高电平，当计数器CNTB的值大于8时，AGB的输出值为低电平，从而产生PWM波形。

图15 A[4..0]=08H时电机加速PWM波形

通过改变细分计数器的值就可以改变PWM的占空比，从而改变直流电机的速度。在图11中占空比D=8/32=0.25，在图16中占空比D=4/32=0.125。通过以上两组数据比较以及分析仿真波形我们可