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基于 FPGA 的直流电机速度控制系统

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统目录中文摘要……………………………………………………………………………………….. ..I 一、绪论 ................................................ 1 1.1 目的及意义 ..................................................... 1 1.2 研究现状及前景 ................................................2 二、电机的基本知识 ....................................... 3 2.1 直流电机的特点 ................................................ 3 2.2 直流电机的工作原理 ........................................... 3 2.3 直流电机的基本结构 ......................................... 4 2.4 直流电机的主要技术参数 ......................................6 三、直流电机系统总设计方案 ............................... 8 3.1 直流电机 PWM 调速原理 ........................................ 8 3.2 基于 FPGA 的直流电机调速方案 ............................. 9 四、直流电机 PWM 调速控制电路设计 ........................ 11 4.1 系统工作原理 ................................................ 11 4.2 键盘电路设计 ................................................ 13 4.3 系统时钟电路设计 ...........................................14 4.4 H 型桥式驱动电路设计 ...................................... 16 4.5 电源电路的设计 ............................................. 17 五、FPGA 内部逻辑电路组成及各个模块详解 .................. 19 5.1 PWM 脉宽调制信号产生模块 .................................19

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统 CNTA 代码封装及仿真 .................................... 20 5.1.1 5.1.2 CNTB 代码封装及仿真 .................................... 21 5.1.3 数字比较器部分 ............................................... 22 5.2 控制模块 ..................................................... 24 5.3 FPGA 内部逻辑电路的仿真 .................................. 25 5.3.1 正/反转控制仿真 ........................................ 25 5.3.2 启动/停止控制仿真 ...................................... 26 5.3.3 加/减速仿真 ............................................ 26 5.4 仿真结果分析 ................................................ 27 六、总结 ................................................ 29 参考文献 ............................................. 30

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统郑州轻工业学院基于 FPGA 的直流电机速度控制系统摘要论文以直流电机为研究对象，应用了先进的FPGA技术，设计了一种全新的直流电机控制系统，通过了仿真、综合和下载的各个程序测试环节，并在实验中得到了良好的应用。首先分析了直流电机工作原理以及其具体的控制过程，然后阐述了 FPGA 的设计原理以及所涉及到的相关芯片，接着对所要应用的硬件语言和 FPGA 集成芯片进行了简要地介绍。本系统针对需要实现对直流电机的转向与速度控制，设计出了一种较理想的方法。对整个系统进行模块化设计，并且每个子模块都通过了仿真测试。基于 FPGA 的速度测量系统设计,以 QuartusⅡ为软件平台,采用模块化设计并通过数码管驱动电路静态显示最终结果。具有外围电路少,集成度高,可靠性强等特点。关键词直流电机 FPGA 集成芯片硬件描述语言速度控制 I

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统一、绪论 1.1 目的及意义基于 FPGA 电机转速系统是工业和农业以及日常生活中不可缺少的一个系统。它的开发引起了广泛的关注。转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，它是电机极为重要的一个状态参数。转速检测的快速性和精度将直接影响系统的效果和动静态性能，如何提高测量精度，如何减轻工作人员的工作负担，如何采取有效措施减少经济损失，如何保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。因此，电机测速系统的研究与实现就具有了十分重要的意义！这个系统采用 FPGA 芯片，光电编码器，光电耦合器，数码管等技术相结合，提高电机转速测量精度[1]，有效杜绝测量不准确和误测等现象的发生。直流电机大多数采用 PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰。而在数字控制技术中，FPGA 的数字 PWM 控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，应而研究 FPGA 具有十分重要的意义。对于本次设计目的在于：（1）掌握基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制原理，学会应用 EDA 技术进行编程（2）通过对本课题的研究,掌握 EDA 开发技术的编程方法，培养创新意识和理论联系实际的学风。熟悉现代电子产品的设计流程。FPGA 用于控制领域特别是电机控制还是比较少的，本设计为电机控制系统提供一种的控制技术，在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。本设计将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片 FPGA 上，本设计论述了利用 FPGA 对直流电机进行控制时所起的各部分功能—PWM 波的产生、在线调速、正反向控制逻辑，并利用硬件描述语言对 PWM 波在 FPGA 中进行组合逻辑变换，并进行仿真。当基于 FPGA 的嵌入式系统时，在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。如果在设计中间阶段需要一些额外的性能，则可以利用 FPGA 中现有的硬件资源来加速软件代码中的瓶颈部分。由于 FPGA 中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。所以，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动(前提是 FPGA 中的逻辑单元足够用)。设计者不必转换到 1

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统另外一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。使用带有可配置处理器的 FPGA 可获得设计灵活性。设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。电机转速测量系统可以应用于测量各种机械的转速，如冰箱压缩机、空调压缩机以及其它发动机、电动机的转速测量，也可用于电机转速的反馈以控制电机平稳运行和调速。 1.2 研究现状及前景目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（离心式转速表）、同步测速法（机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式[2]，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电编码器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度高等优点，具有广阔的应用前景。以前人们经常习惯于用单片机、PLC 来开发电机转速测速系统[3]。随着科学技术的不断提高，FPGA 日益成熟，其强大的功能已被人们深刻认识。使用 FPGA 来开发电机转速测速系统具有无法比拟的优点。再加上光电编码器发展如此迅速，十分具有诱惑力。于是，此次毕设采用光电编码器作为载体，以 FPGA 为核心进行设计开发。这次的毕设我们主要是针对目前出现的测速系统进行改善和提高。 2

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统二、电机的基本知识 2.1 直流电机的特点直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以精确地调节和控制。但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重[3] [5]。图 2-1 直流电机图中 1-前端盖 2-风扇 3-定子 4-转子 5-电刷及刷架 6-后端盖 2.2 直流电机的工作原理直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，直流电动机的工作原理图如图 2.2 所示。电枢不用外力驱动，把电刷 A、B 接到直流电源上，假定电流从电刷 A 流入线圈，沿 a→b→c→d 方向，从电刷 B 流出。载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用，其方向按左手定则确定，ab 边受到向上的力，cd 边受到向 3

基于 FPGA 的直流电机速度控制系统下的力，形成电磁转矩，结果使电枢逆时针方向转动，如图 2.2a 所示。当电枢转过 90°时，如图 2.2b 所示，线圈中虽然无电流和力矩，但是在惯性的作用下继续旋转。当电枢转过 180°的时候，如图 2.2c 所示，电流仍然从电刷 A 流入线圈，沿 d→c→b→a 方向，从电刷 B 流出。与图 2.2a 比较，通过线圈的电流方向改变了，但两个线圈边受电磁力的方向却没有改变，即电动机只朝一个方向旋转。若要改变其转向，则必须改变电源的极性，使电流从电刷 B 流入，从电刷 A 流出才行。图 2-2 直流电动机工作原理图 a)受电磁力，逆时针转动 b) 不受电磁力，惯性转动 c) 受电磁力，逆时针转动 d) 不受电磁力，惯性转动由以上分析可得直流电动机的工作原理是：当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，使直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流，从而使电枢产生恒定方向的电磁转矩，进而保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转。。 2.3 直流电机的基本结构直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。 4

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