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1、中文摘要直流电机具有良好的启动和调速性能，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。本设计介绍了基于FPGA用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于FPGA用软件产生PWM信号的途径，输出的PWM波形具有频率高、占空比调节步进细的优点。对直流电机调速的实现提供了一种有效的途径。关键词：直流电机 PWM 频率计 AbstractThis paper introduces a kind of method of DC motor speed modification based on PWM theory bythe FPG
2、AShowing some relative knowledge upon the DCmotor timing，the basic theory and the way to implementAnd it emphasizes on the way for carrying out PWM signals based on FPGAThis PWM signals advatages base its high frequency and duty cycle stepping fine adjustment.It offers a sort ofeficient method for t
3、he DC motor speedcontrolling systemKeyword: DC motor PWM Cymometer目 录引 言1第一章：设计方案及系统分析21.1 系统的实现及参数的要求21.2 直流电机调速原理213 PWM基本原理设计方案31.3.1 PWM基本原理31.3.2 PWM波形的设计方案41.4 系统的外围硬件及其与FPGA的接口电路51.5 系统的工作流程6第二章、硬件设计82.1、电源模块的设计82.2、电机驱动模块92.3、电机转速测量模块102.4、按键输入模块112.5、LED显示模块12第三章、系统软件设计及分析143.1、频率计的设计143.2、
4、数据显示的程序设计163.3、PWM波形发生器的程序设计及分析183.4 PID控制模块193.5 键盘输入模块25第四章核心器件及开发环境的介绍274.1 FPGA核心板的介绍274.2四电压比较器LM339简介284.3开发环境 Quartus II 7.0 介绍30第五章 系统调试325.1 硬件电路的调试325.1.1 电源电路325.1.2 显示电路的调试325.2 系统软件调试335.2.1消抖电路参数的调整335.2.2 PWM波形参数的设计335.2.3 比较器的设计345.2.3PID控制器的参数设计345.2.4系统的最终实现35结束语36致 谢37参考文献38 40引 言
5、电机是电动机和发电机的统称，是一实现机电能转换的电磁装置。拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机；作为电源，将机械能转换为电能的电机称为发电机。由于电流有交流、直流之分，所以电机也就分为交流电机和直流电机两大类。在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能,直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。直流电机具有良好的启动和调速性能，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统，例如电力牵引、轧钢机、起重设备等。小容量的直流电动机在制动控制系统中的应用也很广泛。本设计的课题为基于FPGA的直流电机调速系统。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,
6、它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。系统采用PWM调节实现对电机的调速，采用红外发射接收对管采集电机转速。FPGA系统内部进程工作在并行的状态下，各子进程相互独立，输出的PWM波形具有频率高，占空比调节步精密的特点。高频率的PWM波形对直流电机工作的稳定起着极其重要的作用，尤其在高负载的调速系统中体现的优越性极其明显，频率越高电机运行越平稳。另外，对PWM 波形输出占空比的调节步进细分的特点大大的扩大了调速系统的调速范围。本设计中主要研究FPGA产生PWM波形的优越性并对其进行验证，并且针对FPGA系统进行等精度频率测量的高精度性进行验证。第一章：设计方案及系统分析1.1
7、系统的实现及参数的要求本系统是基于FPGA的直流电机闭环控制系统。要求系统能用按键设定电机的工作转速，并在系统工作时可以通过外部设定改变电机的转速。当电机的负载变化时，系统通过检测电机转速的变化对电机的转速进行PID调节，迅速调整电机的转速稳定工作在设定的工作频率。要求系统工作稳定在设定值偏差1HZ范围内。1.2 直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性方程式为1 （1.1）式中：、额定电驱电压、额定磁通量、与电机有关的常数、电机外加电阻、电机内阻、 理想空载转速、转速降分析(1.1)式可得当分
8、别改变 、和时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。由于当改变励磁电流时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If和磁通量 只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻R时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。 对于他励直流电机来说，当改变电枢电压Un时，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线如图11所示。理想空载转速随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可
9、实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。图 11 直流电机机械特性曲线13 PWM基本原理设计方案1.3.1 PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变
10、直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图12所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为,设占空比为，则电机的平均速度为2 式中， 电机的平均速度；电机全通电时的最大速度。，占空比。图 12 电驱电压“占空比”与平均电压关系图1.3.2 PWM波形的设计方案如果采用CPU控制产生PWM信号，一般的PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端接给定的参考电压，另一端接周期线形增加的锯齿波电压。当锯齿
11、波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压输出电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。若用单片机产生PWM波形信号，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。 FPGA中的数字PWM控制与一般的模拟PWM控制不同。用FPGA产生PWM波形，只需要FPGA内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，数字比较器的一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值大于设定值时输出高电平。与模拟控制相比，省去了外接D/A转换器和模拟比较器的，FP
12、GA内部连线很少、电路更加简单、便于控制。脉宽调制细分驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着PWM脉宽细分数的增大而减小。 针对FPGA的优越性，本设计采用了Altera 公司的EP2C5Q208C8 FPGA芯片作为系统的核心控制器件，设计基于FPGA的直流电机闭环控制系统。31.4 系统的外围硬件及其与FPGA的接口电路硬件系统由FPGA核心学习板模块、显示模块、按键输入模块、电机测速模块、直流电机驱动模块组成，如图13。显示模块按键输入FPGA直流电机驱动电路及直流电机电机转速采集电路 图 13 系统硬件框架图1.5 系统的工作流程基于FPGA的直流电机闭环控制系统的系统工作流程框图如
13、图 14。+0.57-0.57 设定的转速值+5.7-5.7 实际转速 光电传感器采集 PWM设定频率值显示模块偏差值比较值B产生器（PWM周期调节器）比较器2（PWM发生器）H型直流电机驱动按键5消抖电路开关控制器直流电机频率计转换为转速值实际转速显示模块比较器1设定电机转速按键4按键3按键2按键1比较值A（PID控制）系统通过FPGA内部产生PWM波形输出到H型驱动电路控制电机的转动，采集电路反馈电机转动的波形到FPGA进行系统分析，形成闭还控制。显示模块和按键输入独立接到FPGAD的I/O口，显示模块负责显示设定转速和实际测量到的转速。按键输入模块对系统内部信号进行设置。工作流程为：检测到电机工作脉冲，将其转换为实际转速M，实际转速M与通过键盘设定好的设定转速N比较并且分析，得出偏差值Q，内部的PID调节器对偏差Q和M，N进行分析，输出调节比较器2（PWM波形发生器）的比较值的信号。比较器2输出的PWM波形接到电机开关控制器，电机控制器的输出由输入按键5控制。开关控制器开时输出PWM波形到H型驱动电路驱动电机工作。第二章、硬件设计2.1、电源模块的设计本系统的电源设计采
