直流電機調速控制器設計

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1、任務書課題名稱 直流電機調速控制器設計姓名 學號 承擔任務 評分系統(tǒng)仿真及調試總體系統(tǒng)方案設計PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路的設計控制電路的設計VHDL 程序編寫文檔編輯撰寫設計要求 設計一個直流電機 PWM 調速控制器，并能進行正反轉控制。I摘 要在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中電機是不可或缺的，電機分為交流電機和直流的電機，而直流電機的主要優(yōu)點是能夠在較大的范圍內(nèi)調速，因此直流電機在生產(chǎn)和生活中也得到廣泛的應用。直流電動機轉速的控制方法可分為倆類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。PWM（脈寬調制）是常用的一種調速方法，其基本原理是用改變電機電樞電壓的接通和斷開的時間比來控制馬達的速度，在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加，電機斷電時，其速度減低。要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。并且結合 VHDL 語言實現(xiàn)硬件設計軟件化。關鍵字：PWM，直流電機，VHDL0目 錄第一章 方案設計 ....................................................................................11.1 直流電機基本結構 .......................................................................................11.2 直流電機調速原理 .......................................................................................11.3 基于 FPGA 的直流電機調速方案 ...............................................................2第二章 直流電機 PWM 調速控制電路設計 .....................42.1 總體設計 .......................................................................................................42.2 系統(tǒng)工作原理 ...............................................................................................42.3 鍵盤電路設計 ...............................................................................................52.4 系統(tǒng)時鐘電路設計 .......................................................................................72.5 H 型橋式驅動電路設計 ...............................................................................82.6 電源電路設計 .............................................................................................10第三章 控制邏輯 VHDL 描述 .............................................................113.1 FPGA 內(nèi)部邏輯組成 ..................................................................................113.2 PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路描述 ..........................................................113.3 運行控制邏輯電路描述 .............................................................................15第四章 直流電機 PWM 調速系統(tǒng)仿真 ...............................................174.1 FPGA 開發(fā)環(huán)境的介紹 ..............................................................................174.2 正/反轉控制仿真 ........................................................................................184.3 啟/?？刂品抡?............................................................................................194.4 加/減速仿真 ................................................................................................194.5 仿真結果分析 .............................................................................................20總 結 ......................................................................................................22參考文獻 ..................................................................................................230第一章 方案設計1.1 直流電機基本結構直流電機是通過兩個磁場的互作用產(chǎn)生旋轉。固定部分（定子）上，裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極 N 和 S，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由 A 和 X 兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷 B1 和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。定子通過永磁體或受激勵電磁鐵產(chǎn)生一個固定磁場，由于轉子由一系列電磁體構成，當電流通過其中一個繞組時會產(chǎn)生一個磁場。對有刷直流電機而言，轉子上的換向器和定子的電刷在電機旋轉時為每個繞組供給電能。通電轉子繞組與定子磁體有相反極性，因而相互吸引，使轉子轉動至與定子磁場對準的位置。當轉子到達對準位置時，電刷通過換向器為下一組繞組供電，從而使轉子維持旋轉運動。直流電機的速度與施加的電壓成正比，輸出轉矩則與電流成正比。由于必須在工作期間改變直流電機的速度，直流電機的控制是一個較困難的問題。直流電機高效運行的最常見方法是施加一個 PWM（脈寬調制）方波，其占空比對應于所需速度。電機起到一個低通濾波器作用，將 PWM 信號轉換為有效直流電平。特別是對于微處理器驅動的直流電機，由于 PWM 信號相對容易產(chǎn)生，這種驅動方式使用的更為廣泛。1.2 直流電機調速原理所謂脈沖寬度調制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的的占空比來控制電機轉速的方法，稱為脈沖寬度調制(PWM)。對于直流電機調速系統(tǒng)，使用 FPGA 進行調速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導通時間與通電時間的比值（即占空比）來控制電機速度。PWM 調速原理如圖 1.1 所示。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。1只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉速得到控制。設電機永遠接通電源時，其轉速最大為 Vmax，設占空比為 D=t1/T，則電機的平均速度為 Vd=Vmax·D 式中，Vd——電機的平均速度Vmax——電機全通時的速度（最大）D=t1/T——占空比 平均速度 Vd 與占空比 D 的函數(shù)曲線，如圖 1.2 所示。最大值 V m a x平均值 V d最小值 V m i n t 1 t 2T圖 1.1 PWM 調速原理電壓( V )時間 （ t )通電 斷電t 1t 2T0平均速度V dV m a x00 . 51占空比 ( D )圖 1.2 平均速度和占空比的關系由圖 1.2 所示可以看出，Vd 與占空比 D 并不是完全線性關系（圖中實線） ，當系統(tǒng)允許時，可以將其近似地看成線性關系（圖中虛線） 。因此也就可以看成電機電樞電壓 Ua 與占空比 D 成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。由以上敘述可知：電機的轉速與電機電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比 α＝1 時，電機轉速最大。21.3 基于 FPGA 的直流電機調速方案E N 1U _ DC L K 2數(shù)字比較器+-P W M 波形輸出N E T 1N E T 0N E T 0N E T 1MZFV C CV 1V 2V 3V 4設定值計數(shù)器鋸齒波發(fā)生器C L K 0旋轉方向控制電路Z / FS T A R TF P G A圖 1.3 基于 FPGA 的直流電機調速系統(tǒng)如圖 1.3 所示為基于 FPGA 的直流電機調速方案的方框圖，用 FPGA 產(chǎn)生PWM 波形，只需要 FPGA 內(nèi)部資源就可以實現(xiàn)，如數(shù)字比較器、鋸齒波發(fā)生器等均為 FPGA 內(nèi)部資源，我們只要直接調用就可以。外部端口U_D、EN1 、Z/F、START 接在鍵盤電路上，CLK2 和 CLK0 接在外部時鐘電路上，所用到的時鐘頻率為 100MHz 和 50MHz，其具體的連接方式如圖 2.1。其工作原理是：設定值計數(shù)器的設置 PWM 的占空比。當 U/D=1 時,輸入CLK2,使設定值計數(shù)器的輸出值增加, PWM 的占空比增加,電機轉速加快;當 U/D =0 時，輸入 CLK2，使設定值計數(shù)器的輸出值減小,PWM 的占空比減小,電機轉速變慢。在 CLK0 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)字比較器輸出高電平;當計數(shù)值大于設定值時 ,數(shù)字比較器輸出低電平,由此產(chǎn)生周期性的 PWM 波形。旋轉方向控制電路控制直流電動機轉向和啟/停 ,該電路由兩個 2 選 1 的多路選擇器組成,Z/F 鍵控制選擇 PWM 波形是從正端 Z 進入 H 橋，還是從負端 F 進入 H 橋，以控制電機的旋轉方向。當 Z/F=1 時，PWM 輸出波形從正端 Z 進入H 橋，電機正轉。當 Z/F =0 時，PWM 輸出波形從負端 F 進入 H 橋，電機反轉。Start 鍵通過“ 與” 門控制 PWM 輸出,實現(xiàn)對電機的工作停止/控制。當 START=13時，與門打開，允許電機工作。當 START=0 時，與門關閉，電機停止轉動。H 橋電路由大功率晶體管組成，PWM 輸出波形通過方向控制電路送到 H 橋, 經(jīng)功率放大以后對直流電機實現(xiàn)四象限運行。并由 EN1 信號控制是否允許變速。4第二章 直流電機 PWM 調速控制電路設計2.1 總體設計如圖 2.1 所示，基于 FPGA 的直流電機 PWM 控制電路主要由四部分組成：控制命令輸入模塊、控制命令處理模塊、控制命令輸出模塊、電源模塊。鍵盤電路、時鐘電路是系統(tǒng)的控制命令輸入模塊，向 FPGA 芯片發(fā)送命令，F(xiàn)PGA芯片是系統(tǒng)控制命令的處理模塊，負責接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發(fā)出 PWM 信號，是系統(tǒng)的控制核心?？刂泼钶敵瞿K由 H 型橋式直流電機驅動電路組成，它負責接收由 FPGA 芯片發(fā)出的 PWM 信號，從而控制直流電機的正反轉、加速以及在線調速。電源模塊負責給整個電路供電，保證電路能夠正常的運行。S B 1S B 4S B 3S B 2+ 5 VR1 0 K開始設定初值加速 / 減速正 / 反向7 4 l S 0 61111S T A R TE NZFC L K 2C L K 0U _ DZ _ FF P G AD CV i n V o u tG N DV i n V o u tG N Dc 3470μFC 40.1μFC 50.1μFC 610μFC 710μFC 80.1μF7 8 1 2+ 1 2+ 57 8 0 5N E T 0N E T 1MV C CV 1V 2V 3V 4N E T 0N E T 1C P1 DC 1V C C1234H O - 1 2圖 2.1 FPGA 直流電機 PWM 控制電路2.2 系統(tǒng)工作原理在圖 2.1 中所示的 FPGA 是根據(jù)設計要求設計好的一個芯片，其內(nèi)部邏輯電路如圖 3.1。START 是電機的開啟端，U_D 控制電機加速與減速，EN1 用于設定電機5轉速的初值，Z_F 是電機的方向端口，選擇電機運行的方向。CLK2 和 CLK0是外部時鐘端，其主要作用是向 FPGA 控制系統(tǒng)提供時鐘脈沖，控制電機進行運轉。通過鍵盤設置 PWM 信號的占空比。當 U_D=1 時, 表明鍵 U_D 按下，輸入CLK2 使電機轉速加快；當 U/D =0，表明鍵 U_D 松開,輸入 CLK2 使電機轉速變慢，這樣就可以實現(xiàn)電機的加速與減速。Z_F 鍵是電機運轉的方向按鍵，當把 Z_F 鍵按下時，Z_F=1，電機正轉；反之 Z/F =0 時，電機反轉。START 是電機的開啟鍵，當 START=1，允許電機工作；當 START=0 時，電機停止轉動。H 橋電路由大功率晶體管組成，PWM 輸出波形通過由兩個二選一電路組成的方向控制電路送到 H 橋, 經(jīng)功率放大以后對直流電機實現(xiàn)四象限運行。并由 EN1 信號控制是否允許變速。2.3 鍵盤電路設計本設計系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路和時鐘電路，通過以按鍵的方式向FPGA 控制系統(tǒng)表達人的命令來實現(xiàn)直流電機的正轉、反轉、停止和加減速，實現(xiàn)人機互換。下面就對鍵盤電路和時鐘電路的類型以及工作原理分別進行論述。鍵盤電路有兩種類型，其中一種是獨立式鍵盤電路。獨立式鍵盤電路結構簡單、操作方便，在目前這種結構的鍵盤應用還非常普遍。只是這種鍵盤電路的每個按鍵都要占用一根 I/O 口線，這樣的話，隨著按鍵的增加將使 I/O 口線不足。因此，這種鍵盤電路只有在按鍵比較少的情況下比較適用。另一種鍵盤電路是矩陣式鍵盤電路，這種鍵盤電路的按鍵設置在行線和列線的交叉點上，因此在有限的 I/O 口線上可以設置比較多的按鍵。只是這種鍵盤電路結構、編程都比較復雜。在鍵盤電路中，往往可以與一個與非門電路構成帶中斷的鍵盤電路。這種鍵盤電路上的每個按鍵可以單獨工作，而且響應時間快。這種帶中斷式的鍵盤電路現(xiàn)在應用已經(jīng)相當?shù)钠毡?。如圖 2.2 所示，所采用的鍵盤電路是獨立式鍵盤電路。其 4 個功能鍵SB1－SB4 連線分別接在 FPGA 控制系統(tǒng)的 4 個端口上，并分別往上各引一條6接線串一個 1KΩ的上拉電阻接在+5V 電源上。當 4 個鍵都沒有被按下去時，對應的各條列線全部為高電平，在 CMOS 非門的作用下每個端口的電平為低電平。其中一個按鈕按下去時，其對應的輸出端口在非門的作用下由低電平變?yōu)楦唠娖?，從而啟動相應的功能。S B 1S B 4S B 3S B 2+ 5 VR1 0 K開始設定初值加速 / 減速正 / 反向7 4 l S 0 61111S T A R TE N 1U _ DZ _ F圖 2.2 鍵盤電路在鍵盤電路設計中，需要解決按鍵抖動的問題。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機械彈性開關，一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合和斷開的瞬間必然伴隨一連串的抖動。為了排除抖動的影響，在按鍵和輸出端并上一個電阻、一個電容。如圖 2.3 所示。S B 11R1 0 KC2 . 0 μ7 4 L S 0 6V C C圖 2.3 濾波防抖動電路由圖可知，當鍵 SB1 未按下時，電容 C 兩端的電壓均為 1，非門輸出為0。當鍵 SB1 按下時，由于 C 兩端電壓不可能產(chǎn)生突變。盡管接觸過程中可能出現(xiàn)抖動，只要適當?shù)倪x擇 R 和 C 值，即可保證電容 C 兩端的放電電壓波動不7會超過非門的開啟電壓（TTL 為 0.8V） ，非門的輸出將維持低電平。同理，當觸點 K 斷開時，由于電容 C 經(jīng)過 R2 充電，C 兩端的充電電壓波動不會超過非門的關閉電壓，因此，非門的輸出也不會改變，從而達到防抖動的效果。2.4 系統(tǒng)時鐘電路設計FPGA 是在系統(tǒng)時鐘脈沖作用下進行的，在 FPGA 應用系統(tǒng)中，要求采用石英晶振作為時鐘脈沖，如圖 2.4 所示，是采用有源石英晶振構成的系統(tǒng)時鐘電路。在該電路中，1 腳懸空，2 腳接地，3 腳接輸出，4 腳接電源。3 腳時鐘脈沖輸出后接在 FPGA 的 CLK0 時鐘端，另一路經(jīng)二分頻電路進行分頻后接在CLK2 時鐘端。在 CLK0 和 CLK2 的共同作用下，系統(tǒng)進行工作。時鐘輸入是系統(tǒng)電路中必不可少的一部分，它能為 FPGA 提供時鐘脈沖信號，考慮到 EDA 開發(fā)系統(tǒng)時鐘輸入的重要性，一個是 50MHz 的有源晶振作為時鐘信號源輸入，主要用于輸入大的時鐘信號，為波形發(fā)生器提供基準的時鐘脈沖輸入。C P1 DC 1V C C1234H O - 1 2C L K 2C L K 0圖2.4 時鐘電路圖有源晶振的驅動能力強，晶振頻率比較大，能達到幾百兆 Hz，采用有源晶振作為時鐘源可以使電路的時鐘擴大。HO-12 系列的有源晶振采用TTL/HCMOS 技術，頻率范圍是 1000Hz-1000MHz，這里我們采用的是 100MHz的有源晶振。把 D 觸發(fā)器的輸出 反饋回輸入端與 D 連接就形成一個二分頻電路，如圖_Q2.5 所示，從波形圖可以看出 Q 輸出的波形將是 CP 脈沖周期的兩倍，即頻率是為 CP 脈沖的一半。8QC P1 DC 1C PQ01012.5 D 觸發(fā)器接成二分頻電路2.5 H 型橋式驅動電路設計直流電機驅動電路使用最廣泛的就是 H 型全橋式驅動電路，這種驅動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖 2.6 所示。N E T 0N E T 1MV C CV 1V 2V 3V 4N E T 0N E T 1圖 2.6 H 型全橋式驅動電路H 型全橋式驅動電路的 4 只三極管都工作在斬波狀態(tài)， V1、V4 為一組，V2、V3 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關斷。當 V1、V4導通時，V2、V3 關斷，電機兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機的正轉或反轉制動；當 V2、V3 導通時，V1、V4 關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。在直流電機運轉的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在 V1、V4 導通且 V2、V3 關斷，到 V1、V4關斷且 V2、V3 導通，這兩種狀態(tài)之間轉換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯 必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。這個過程可用圖 2.7 說明。9上橋臂導通下橋臂導通上下導通ttt圖 2.7因此，為了避免直通短路且保證各個開關管動作之間的同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時。 驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。當電機處于制動狀態(tài)時，電機便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴重時燒毀。開關管的選擇對驅動電路的影響很大，開關管的選擇宜遵循以下原則：（1）由于驅動電路是功率輸出，要求開關管輸出功率較大（2）開關管的開通和關斷時間應盡可能?。?）直流電機使用的電源電壓不高，因此開關管的飽和壓降應該盡量低 在實際制作中，我們可選用大功率達林頓管 TIP122 或場效應管 IRF530，效果都還不錯?，F(xiàn)在為了取材方便，我們選用三極管作為驅動電路的開關管。從前面的分析可知，H 型全橋式驅動電路中，由于開關管有開通和關斷時間，因此存在上下橋臂直通短路的問題。直通短路的存在，容易使開關管發(fā)熱，嚴重時燒毀開關管，同時也增加了開關管的能量損耗。由于現(xiàn)在的許多集成驅動芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了死區(qū)保護（如 LMD18200） ，這里主要介紹的是利用開關管等分立元件以及沒有死區(qū)保護的集成芯片制作驅動電路時增加死區(qū)的方法。死區(qū)時間的問題，只有在正轉變?yōu)榉崔D或者反轉變?yōu)檎D的時候才存在，而在正轉啟動或反轉啟動的時候并沒有，因此不需要修正。如果開關管的開通10和關斷時間非常小，或者在硬件電路中增加延時環(huán)節(jié)，都可以降低開關管的損耗和發(fā)熱。當然，通過軟件避免直通短路是最好的辦法，它的操作簡單，控制靈活。通過軟件實現(xiàn)死區(qū)時間，就是在突然換向的時候，插入一個延時的環(huán)節(jié)，待開關管關斷之后，再開通應該開通的開關管。在開關管每次換向的時候，不立即進行方向的切換，而是先使開關管關斷一段時間，使其完全關斷后再換向打開另外的開關管。這個關斷時間由軟件延時實現(xiàn)。以上主要分析了電機的全橋式驅動電路，這是直流電機調速使用最多的調速方法。目前市場上有很多種電機驅動的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛，但是其驅動方法大多與全橋式驅動一樣。PWM 控制方法配合橋式驅動電路，是目前直流電機調速最普遍的方法。2.6 電源電路設計由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，如果只用一組電源時會影響系統(tǒng)的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組 5V 給控制電路供電， 另外一組 12V 給電機供電。如圖 3.8 所示。電源部分分為兩路，一路直接提供 12 伏的直流電源，主要是提供給電機使用，另一路通過三端穩(wěn)壓芯片 7805 穩(wěn)壓成 5 伏直流電源提供給鍵盤電路和時鐘電路使用，右邊兩個電容是 5 伏電源的濾波電容，綠色的 LED作為工作指示燈，只要電源部分正常，綠色的 LED 就會點亮，我們可以根據(jù)這個 LED 來判斷整個電源部分是否工作正常。D CV i n V o u tG N DV i nV o u tG N Dc 3470μFC 40.1μFC 50.1μFC 610μFC 710μFC 80.1μF7 8 1 2+ 1 2+ 57 8 0 52.8 電源電路11第三章 控制邏輯 VHDL 描述3.1 FPGA 內(nèi)部邏輯組成圖 3.1 FPGA 直流電機 PWM 控制電路由圖 3.1 可以看出電機控制邏輯模塊由 PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路、方向控制電路組成。其中 PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路由可控的加減計數(shù)器CNTA、5 位二進制計數(shù)器 CNTB、數(shù)字比較器 LPM_ COMPARE 三部分組成，方向控制電路由兩個二選一電路 21MUX 組成。3.2 PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路描述PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路由可控的加減計數(shù)器 CNTA、5 位二進制計數(shù)器 CNTB、數(shù)字比較器 LPM_COMPARE 三部分組成?？煽氐募訙p計數(shù)器做細分計數(shù)器，確定脈沖寬度。當 U/D=1 時，輸入 CLK2,使設定值計數(shù)器的輸出值增加，PWM 的占空比增加,電機轉速加快；當 U/D =0，輸入 CLK2,使設定值計數(shù)器的輸出值減小,PWM 的占空比減小，電機轉速變慢。 5 位二進制計數(shù)器在CLK0 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)字比較器輸出高電平；當計數(shù)值大于設定值時,數(shù)字比較器輸出低電12平，由此產(chǎn)生周期性的 PWM 波形。其內(nèi)部邏輯圖如圖 3.2 所示。圖 3.2 FPGA 中的 PWM 脈寬調制信號產(chǎn)生電路可控的加減計數(shù)器 CNTA 中的端口 U_D 控制計數(shù)器的方向，EN1 是計數(shù)器的使能端，控制計數(shù)器初值的變化。U_D=1 時，加減計數(shù)器 CNTA 在脈沖CLK2 的作用下，每來一個脈沖，計數(shù)器 CNTA 加 1，U_D=0 時，每來一個脈沖，計數(shù)器 CNTA 減 1。使能端 EN1 設定計數(shù)器值的初值，當 EN1 由 1 變?yōu)? 的時候，無論 U_D 如何表化，計數(shù)器的值都不會發(fā)生變化，這樣就完成了計數(shù)器的設定值，其仿真波形如圖 3.3 所示，其 VHDL 語言如下。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)13BEGINIF 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;圖 3.3 細分計數(shù)器的仿真波形CNTB 是一個簡單的 5 位二進制計數(shù)器，它的工作原理和 CNTA 的原理很相似，我們只是在 CNTA 的時鐘端加了一個使能端 EN1 控制其加減的方向。而CNTB 的時鐘端沒有加使能端，所以每來一個脈沖計數(shù)器加 1，因為 CNTB 是一個 5 位的二進值計數(shù)器，所以當計數(shù)器的值當大于 32 時，計數(shù)器又重新從 0開始記數(shù)，從而產(chǎn)生周期性的線性增加的鋸齒波。其仿真波形如圖 3.4，其VHDL 語言如下。ENTITY CNTB ISPORT(CLK: IN BIT;Q:BUFFER INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0);END;ARCHITECTURE BHV OF CNTB ISBEGIN PROCESS(CLK)BEGIN14IF CLK'EVENT AND CLK='1' THENQ<=Q+1;END IF;END PROCESS;END BHV;圖 3.4 5 位二進制計數(shù)器仿真波形數(shù)字比較器是產(chǎn)生 PWM 波形的核心組成部件，可控的加減計數(shù)器 CNTA和 5 位二進制計數(shù)器 CNTB 同時加數(shù)字比較器 LPM-COMPARE 兩端作為兩路輸入信號，當計數(shù)器 CNTB 輸出值小于細分計數(shù)器 CNTA 輸出的規(guī)定值時, 比較器輸出高電平; 當 CNTB 輸出值大于細分計數(shù)器 CNTA 輸出的規(guī)定值時, 比較器輸出低電平。改變細分計數(shù)器的設定值, 就可以改變 PWM 輸出信號的占空比。為了便于觀察防真波形，在 CNTB 的輸出加上 B[4..0]，仿真波形如圖3.5。圖 3.5 數(shù)字比較器的仿真波形細分計數(shù)器 CNTA 是一個雙向計數(shù)器, 可以進行加減計數(shù) ,由 U_D 控制其加/減計數(shù)方向, CLK 是計數(shù)時鐘輸入端。為了便于連續(xù)變速控制 , 在計數(shù)器的CLK 端通過“與”門, 加入了 CLK2 外部變速控制附加時鐘 , 并由 EN1 信號控制是否允許變速。在本次設計中直流電機轉速進行了 32 級細分。其仿真波形如圖 3.6，細分計數(shù)器的初值設為 08H，也就是十進值的 8，當計數(shù)器 CNTB 的值小于 8 時，AGB 輸出高電平，當計數(shù)器 CNTB 的值大于 8 時，AGB 的輸出值15為低電平，從而產(chǎn)生 PWM 波形。圖 4.6 A[4..0]=08H 時電機加速 PWM 波形通過改變細分計數(shù)器的值就可以改變 PWM 的占空比，從而改變直流電機的速度。在圖 3.6 中占空比 D=8/32=0.25，在圖 3.7 中占空比 D=4/32=0.125。通過以上兩組數(shù)據(jù)比較以及分析仿真波形我們可以看出，只要改變使能端電平的高低，便可以改變細分計數(shù)器的值，也就是改變細分計數(shù)器 CNTA 的初值，從而可以改變直流電機的占空比，改變直流電機的速度。圖 3.7 A[4..0]=04H 時電機減速 PWM 波形調節(jié) PWM 波的占空比是電機調速的重要手段，若脈寬計數(shù)器 CNTA 的值逐漸增大，輸出脈沖的開啟時間變大，PWM 占空比逐漸變大，功率器件輸出給電機電樞的能量增加，電機加速。若脈寬計數(shù)器定時器 CNTA 的值減小，輸出脈沖的開啟時間變小，PWM 占空比逐漸變小，功率器件輸出給電機電樞的能量減少，電機減速。當電機得到加速信號，占空比增大至它可調范圍的最大值后保持，電機得到減速信號，占空比減小至它的可調范圍的最小值后保持。3.3 運行控制邏輯電路描述如圖 3.8 所示 FPGA 中的工作/ 停止控制和正/ 反轉方向控制電路，其兩個二選一多路選擇器加上兩個與門根據(jù)邏輯原理組合而成。START 鍵通過“與” 門控16制 PWM 輸出,實現(xiàn)對電機的工作/停止控制。當 START 端接高電平時，表示電源接通，電機開始運轉；當 START 端接低電平時，電機停止運轉。Z/F 鍵控制選擇 PWM 波形是從正端 Z 進入 H 橋，還是從負端 F 進入 H 橋，以控制電機的旋轉方向。當 Z/F=1 時 PWM 輸出波形從正端 Z 進入 H 橋，電機正轉。當 Z/F =0 時 PWM 輸出波形從負端 F 進入 H 橋，電機反轉。仿真如圖 3.9 所示。圖 3.8 FPGA 中的工作/ 停止控制和正/反轉方向控制電路圖 3.9 正/反轉工作控制電路波形圖 3.10　工作/停止電路波形當 START=1 時，與門打開，允許電機工作。當 START=0 時，與門關閉，電機停止轉動。仿真如圖 3.10 所示。17第四章 直流電機 PWM 調速系統(tǒng)仿真4.1 FPGA 開發(fā)環(huán)境的介紹MAX+Plus II(MuliPtle Array Martix and Programmxnaable Logie User System)是 ALTERA 公司推出的具有完全集成化、可視化的設計環(huán)境，具有工業(yè)標準EDA 工具接口，可運行于多種操作系統(tǒng)。MAX+Plus II 提供了一種與結構無關的設計環(huán)境，設計人員無須精通器件內(nèi)部結構，只需運用自己熟悉的輸入工具進行設計，就可以通過 MAX+Plus II 把這些設計轉換為最終結構所需要的格式。MAX+Plus II 提供豐富的邏輯功能供設計人員調用，其中包括 74 系列全部器件的等效宏功能庫和多種特殊的宏功能(MacorFunctino)模塊以及參數(shù)化的宏功能(Mageufnctino)模塊。MAX+PlusH 還具有開放核的特點，允許設計人員添加自己的宏功能模塊。充分利用這些邏輯功能模塊，可以大大減輕設計的工作量，成倍縮短開發(fā)周期。Altera 公司的 MAX+plus II 有以下特點：開放的界面——MAX+plus II 軟件可與其他工業(yè)標準的設計輸入、綜合與校驗工具相連接，支持與 Candence、Synopsys、Viewlogic 等其它公司所提供的EDA 接口。完全集成化——MAX+plus II 的設計輸入、處理與校驗功能全部集成在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境下，這樣可以加快動態(tài)調試、縮短開發(fā)周期。豐富的設計庫——MAX+plus II 提供豐富的庫單元供設計者調用，其中包括 74 系列的全部器件、大量的數(shù)字器件和新型參數(shù)化的宏函數(shù)，大大減輕了設計人員的工作量。硬件描述語言——MAX+plus II 軟件支持各種 HDL 設計輸入選項，包括VHDL、verilog HDL 和 Altera 公司自己的硬件描述語言 AHDL。開放核特性——MAX+plus II 軟件具有開放核的特點，它允許設計人員添加自己認為有價值的宏函數(shù)。MAX+plus II 軟件的設計輸入方法有多種，主要包括原理圖輸入方式、文本設計輸入方式、波形設計輸入方式等。(1) 原理圖輸入與符號編輯。利用 MAX+plus II 提供的各種原理圖庫進行18設計輸入是一種最為直接的輸入方式。用這種方式輸入時，為提高效率，應采用自頂向下邏輯分塊，把大規(guī)模的電路劃分成若干小塊的方法。(2) 硬件描述語言輸入。MAX+plus II 包含一個集成的 Text Editor(文本編輯程序)，適合于輸入和編輯用 VHDL 語言編寫的設計文件。(3) MAX+plus II Waveform Editor(波形編輯程序 )用于建立和編輯波形文件及輸入仿真向量和功能測試向量，適合于時序和重復的函數(shù)。設計人員可以根據(jù)自己的實際情況靈活的選擇 MAX+plus II 軟件的輸入方式。4.2 正/反轉控制仿真鍵盤 Z_F 是電機的方向控制鍵。當要求電機正轉時，只需要按下鍵 Z_F，表示 Z_F 輸出高電平，即 Z_F=1，電機正轉，如圖 4.1 所示。當鍵 Z_F 松開時，Z_F＝ 0 時，電機反轉，如圖 4.2、圖 4.3 所示。圖 4.1 電機正轉圖 4.2 電機反轉圖 4.3 電機正反轉194.3 啟/?？刂品抡鍿TART 鍵是電機的啟動鍵，當按下 START 鍵時，START=1,電機進入運行狀態(tài)，如圖 4.4 所示。反之，START=0 時，電機停止，如圖 4.5、圖 4.6 所示。圖 4.4 啟動仿真波形圖 4.5 停止仿真波形圖 4.6 啟/停仿真波形4.4 加/減速仿真鍵盤 EN1 控制電機是否允許變速。所以通過改變 EN1 便可以改變設定值H[4..0]的值，也就是設定值的初值，從而改變了直流電機的占空比，改變直流電機的速度，達到調速的目的。因為 CNTB 是 5 位的計數(shù)器，所在本設計中直流電機轉速細分為 32 級。如圖 4.7 的占空比為 2/32=0.0625，同理通過按鍵 EN1 該變 H[4..0]的值便得到如圖 4.8、4.9 的 PWM 仿真波形，其占空比依次為 0.125、0.25，也就是占空比增大，電機的速度增加。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)比較與仿真波形的分析可以看出，電機的速度在逐漸的增加。所以通過改變 EN1 的值可以改變直流電機的 PWM 占空比，從而改變直流電機的速度。20圖 4.7 H[4..0]=02H 仿真波形圖 4.8 H[4..0]=04H 仿真波形圖 4.9 H[4..0]=08H 仿真波形4.5 仿真結果分析通過 5.2 到 5.5 的仿真波形分析可知，本設計中的各項功能夠很好的實現(xiàn)。在時鐘脈沖的作用下，計數(shù)器 CNTA 和 CNTB 都能按照事先設定好的規(guī)則進行計數(shù)。CNTA 是可控的加減計數(shù)器，U_D 控制其計數(shù)的方向，EN1 用于設定其初值，當 NE1 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就完成了設定值。CNTB 是 5 位二進制計數(shù)器，其在時鐘脈沖 CLK0 的作用下一直加數(shù)，當它加到 32 時就自動返回到0 再重新加數(shù)。兩路計數(shù)器同時加到數(shù)字比較器 LMP_COMPARE 上，當 CNTB的值小于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，當 CNTB 的值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出低電平。因此改變設定值的大小就可以改變 PWM 波形的大小，也就是完成了電機的調速。Z_F 是電機的方向按鍵，選擇 PWM 波形的進入方向，當其為 1 時，電機正轉，反之，反轉。至于電機的控制，是在它的輸入端加上兩個與門來控制電機的啟動與停止。其具體的操作如下：當按下鍵 Z_F 鍵時，電機正轉（如圖 4.1） ，松開鍵時，電機反轉（如圖4.2） 。當按下鍵 START 時，電機開始工作（如圖 4.4） ，松開時，電機停止工作（如圖 4.5） 。通過按鍵 EN1 的閉合與斷開可以改變 H[4.0]的值（如圖4.7、4.8、4.9）從而改變直流電機的 PWM 占空比，達到改變直流電機速度的目的。本設計采用 VHDL 設計 FPGA 脈寬調制控制方案, 計算機仿真和對直流電21機控制的結果表明,該電路能有效地產(chǎn)生 PWM 控制信號控制電機的轉速, 控制精度由 FPGA 中的數(shù)字比較器決定。在本設計中，采用的數(shù)字比較器為 5 位, 若增加數(shù)字比較器的位數(shù), 就可以提高電機轉速的控制精度。電路中省去了 D/A 轉換器使電路變得更加簡潔 , 同時也降低控制器的成本。FPGA 內(nèi)部采用狀態(tài)機結構, 遇到干擾時, 能很快從異常狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài), 保證了控制系統(tǒng)具有高的可靠性。從以上的仿真中可以看出，基于 FPGA 的直流電機的控制能夠達到很好的預期效果。22總 結EDA 技術是電子設計的發(fā)展趨勢，利用 EDA 工具可以代替設計者完成電子系統(tǒng)設計中的大部分工作。EDA 工具從數(shù)字系統(tǒng)設計的單一領域，發(fā)展到今天，應用范圍己涉及模擬、微波等多個領域，可以實現(xiàn)各個領域電子系統(tǒng)設計的測試、設計仿真和布局布線等，這些都是我在這次課設中深刻體會到的。在這次課程設計的一周時間里，雖然在過程中遇到很多問題，但通過大家的共同努力很好的解決了這些問題，并最終完成了本次課程設計。在這次設計中我們收獲了很多，首先最直接的收獲就是我們鞏固了這門課程所學過的知識，把它運用到了實踐當中，并且學到了很多在書本撒和那個所沒有學到的知識，通過查閱相關資料進一步加深了對 EDA 的了。總的來說，通過這次課程設計不僅鍛煉了我們的動手和動腦能力，也使我懂得了理論與實際相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，要把所學的理論知識與實踐相結合起來，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。23參考文獻[1] 閻石.《數(shù)字電子技術基礎》 （第五版）[M].高等教育出版社[2] 謝運祥.可編程邏輯器件的發(fā)展及其應用前景[R].高等教育出版社[3] 張廣益.郭前剛 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