设计--直流电机综合测控系统设计

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 ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC;U_D:IN STD_LOGIC;CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0));END CNTA;ARCHITECTURE behav OF CNTA ISSIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1'THENIF U_D='1' THENIF 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 RTL3.2.2 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 ISPORT(CLK: IN BIT;Q:BUFFER INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0);END;ARCHITECTURE BHV OF CNTB ISBEGINPROCESS(CLK)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENQ<=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 RTL3.2.3 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。