基于FPGA的直流电机综合测控系统设计

数字系统设计论文
（EDA技术课程答辩2013秋）
基于FPGA勺直流电机综合测控系统设题目计
学院电子信息学院
专业电子信息工程
班级12047514
学号12041419,12041422
学生姓名林华，马浩杰
指导教师黄继业
完成日期2013年12月
摘要
当今，在各行业中自动化控制系统已经取得了较为广泛的发展和应用，而在现在的规模化生产中，电器传动技术以直流驱动控制技术为主流有着重要作用。

一直以来，因直流电动机其转速在调节上比较灵活，调节方法简单，大范围的平滑调速较容易，控制方面性能更好等特点，所以在传动领域中拥有不可动摇的地位。

它在工业机器人、数控机床、等工厂设备
自动化中得到广泛应用。

在现代化的生产中，随着规模的不断扩大，各行各业对直流电机在
技术上和数量上的需求也越来越大，并在性能上要求也更高。

因此，研究出高可靠性、高性能的直流电机控制系统，并且制造出高水平的系统就有着非常现实和重要的意义。

关键词：FPGA ；Verilog ；EDA ；PWM 调速
摘要
引言
1. 本课题研究背景
2. 本课题的主要研究内容及意义
二、整体设计
1. 功能要求
2. 功能模块设计
2.1. PWM脉宽调制信号发生模块22工作时钟发生器模块
2.3. 消抖动模块ERZP
2.4. 转向控制多路选择器模块
2.5. 8位寄存器模块
2.6. 7段译码模块
三、直流电机驱动控制电路顶层设计
四、总结五、参考文献
引言
1. 本课题研究背景
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。

2. 本课题的主要研究内容及意义
本课题是以FPGA为控制核心，实现对直流电机的转速测量和转速调节，为进一步研究和优化直流电机控制方法提供基础。

设计直流电机控制系统能够充分发挥电机的特性，通过本课题，一方面训练我们在查阅
资料的基础上，了解FPGA控制的一些基本技术，掌握其控制系统的分析方法与实现；另一方面通过本次设计，设计出相应的控制系统，以实现对直流电机转速的测量和转速的调节，并以此培养自己的自学和动手能力，从而今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。

二、整体设计
1. 功能要求
能利用FPGA控制直流电机PWM，对直流电机进行速度控制，旋转方向控制，变速控制。

2. 功能模块设计
2.1. PWM脉宽调制信号发生模块
此模块是FPGA中的PWM脉宽调制信号产生电路。

它的输出接电机转向控制电路模块，此模块输出的两个端口接电机，通过控制SL端(键K1)，可以改变电机转向。

它的输入端之
一来自模块CNT8B。

这是一个8位计数器，输出的数据相当于锯齿波信号，此信号的频率
就是输出PWM波的频率。

本模块的另一端来自键控的8位数据，其中低四位设定为1111, 高四位由计数器CNT4B产生，计数器的时钟来自键K8。

于是可以通过手动按键控制电机
的转速。

module SQU1(ci n, adr,ot);
in put [7:0] cin, adr;
output ot;
reg ot;
always @ (cin)
begin
if(adr< cin)
ot<=1'b0;
else
ot<=1'b1;
end
en dmodule
2.2. 工作时钟发生器模块
主要由锁相环PLL20担任。

其输入频率是20MHz ;输出两个频率：C0=4096Hz,C仁5MHz.
23 消抖动模块ERZP
module ERZP(clk,KIN,kout);
in put clk,KIN;
output kout;
reg a,b,c;
assig n kout=(a|b|c);
always @ (posedge clk)
begin a<=KIN;
b<=a;
c<=b;
end
en dmodule
24 转向控制多路选择器模块
module SLT(SL,M,mO,m1);
input SL,M;
output m0,m1;
reg m0,m1;
always @ (SL)
case (SL)
1'b1:begi n mO<=M;
m1<=1'b0;e nd
1'b0:begi n m0<=1'b0;
m1<=M;e nd
default: beg in m0<=M;
m1<=1'b0;e nd endcase en dmodule 2.5. 8位寄存器模块
module lock (d,clk,rst,Q);
in put clk,rst;
in put [7:0] d;
output [7:0] Q;
reg [7:0] Q;
always @ (posedge clk)
if(rst)
Q=0;
else
begin
if(clk) begi n
Q[3:0] <= d[3:0];
Q[7:4] <= d[7:4];
end
end
en dmodule
2.6. 7段译码模块
module DECL7S(A ,L ED7);
in put [3:0] A;
output [6:0] LED7;
reg [6:0] LED7;
always @ (A)
case(A)
4'b0000:LED7<=7'b0111111;//0
4'b0001:LED7<=7'b0000110;//1
4'b0010:LED7<=7'b1011011;//2
4'b0011:LED7<=7'b1001111;//3
4'bO1OO:LED7<=7'b11OO11O;〃4
4'bO1O1:LED7<=7'b11O11O1;〃5
4'bO11O:LED7<=7'b11111O1;〃6
4'bO111:LED7<=7'bOOOO111;〃7
4'b1000:LED7<=7'b1111111;//8
4'b1001:LED7<=7'b1101111;//9 default:LED7<=7'b0000000;
endcase
en dmodule
直流电机驱动控制电路顶层设计
四、本文在Quartus II软件平台上实现了基于VHDL直流电
机速度控制系统的研究设计。

设计期间主要完成了以下工作：
1. Quartus II软件平台的应用。

掌握了基于VHDL语言设计的
基本流程和设计输入，设计编译，功能确认，延时确认，
设计仿真等模块的应用。

通过应用使我对VHDL语言深入的了解，可以熟练地使用Quartus II平台进行编程和其他应用。

2. 基于VHDL的直流电机速度控制系统的理论及其软件仿
真，本直流电机速度控制系统实现了以下功能：
（1）用户可自行设定电机的目标速度、速度临界差值。

（2 ）系统通过用户设定可以自动进行调速，达到用户指定速度要求。

本文提出的基于VHDL的PWM实现电路具有结构简单、容易实现等优点。

但是在此设计研究过程中，有以下几点不足：基于VHDL的数字系统设计方法、增加PWM的精度、将理论与实际系统结合。

五、参考文献
Don aid Hearn,M. Pauli ne Baker.计算机图形学.北京：电子工业出版社2010.7
Dave Shreiner. OpenGL编程指南.北京：机械工业出版社2010.1
潘松，黄继业，潘明.EDA技术实用教程：Verilog HDL版.北京：科学出版社2010。