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1、 基于PWM调节方式的驾培车用直流电机控制器调速系统设计基于PWM调节方式的驾培车用直流电机控制器调速系统设计 摘要 本设计介绍用Altetera公司的MAX7000系列的EPM7128S实现对直流电机的高精度、宽范围的调速控制方案。本系统的控制对象是驾培车用直流电动机，运用VHDL硬件描述语言实现各个模块的功能，从而实现系统对电机的测速、调速、控制功能。系统的测速硬件是利用光电式码盘这种非接触光电传感器。系统调速控制是利用调速控制系统来完成。系统的仿真是在MAXPLUSH软件中完成， 采用VHDL硬件描述语言进行软件程序的编辑。本次设计给出了详细的电路原理图及软件设计。基于CPLD直流电动机
2、控制系统大大简化了控制电路。关键词：PWM；驾培车；无刷直流电动机；MAX+PLUSH II；M/T法；CPLDADJUSTING THE DRIVER TRAINING BASED ON PWM DC MOTOR CONTROLLER SPEED VEHICLE DESIGNABSTRACTThis design introduces the MAX7000 series with Altetera companys EPM7128S achieve high precision DC motor, a wide range of speed control program.The syst
3、em of control object is the direct current motor vehicle driver training, the use of VHDL hardware description language functions of each module, enabling the system to the motor speed, speed, control.System is the use of photoelectric speed hardware encoder such non-contact photoelectric sensor.Spe
4、ed control system is the use of Speed Control System to complete.System simulation is completed in MAXPLUSH software, using VHDL hardware description language software program for editing.This design gives a detailed circuit diagram and software design.CPLD-based DC motor control system greatly simp
5、lifies the control circuit.Key words： PWM; Brushless DC Motor; MAX+PLUS II; M / T method; CPLD目录第一章 绪论11.1 前言11.1.1 直流无刷电机的发展11.1.2 直流无刷电机的运行原理11.1.3 直流无刷电机的结构31.2 EDA41.2.1 什么是EDA41.2.2 EDA大致分类5第二章 设计原理132.1 速度测量原理132.1.1 M法测速原理分析132.1.2 T法测速原理分析132.1.3 M/T法測速原理分析142.2 PWM调速基本原理152.3 仿真工具介绍16第三章 控制
6、方案193.1 PWM调速控制系统的方案193.1.1 PWM调速控制系统的方案比较193.1.2 PWM调速控制系统的方案论证193.2 总体方案20第四章 硬件设计214.1 测速系统硬件设计214.1.1 MAX7000系列芯片214.1.2 FPGA主控硬件电路设计214.2 PWM调速控制系统硬件设计23第五章 软件设计245.1 测速部分软件设计245.2 PWM调速控制部分软件设计31结束语36参考文献37致谢39附录A 硬件部分的PROTEL原理图40附录B 硬件部分的PCB图41第45 页 共 41 页 第一章 绪论1.1 前言1.1.1 直流无刷电机的发展直流无刷电机是在直
7、流有刷电机的基础上发展起来的。由于直流有刷电机的换向器和电刷在电机高速运行时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因此许多环境限制了直流有刷电机的应用。随着科学技术的发展，开关型晶体管的研制成功，为直流电机的发展带来生机。经过不断的研究和实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来替代有刷电机的机械换向装置。六十年代初出现了用霍尔元件传感器的直流无刷电机，七十年代初出现了比霍尔元件传感器灵敏度高许多倍的磁敏二极管1换流的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又发现了不用位置传感器而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来获得位置信号的直流无刷电机称为反电势无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。 由于
8、直流无刷电机具有没有换向火花，抗干扰性强，运行可靠，维护简便，使用寿命长等优点，使其得以广泛应用于家庭、办公、工业、军事、航空航天等领域。1.1.2 直流无刷电机的运行原理电动机内部结构分定子和转子两部分。有刷直流电机的工作原理是直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的弱点2：（1）、结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。（2）、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电
9、刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，由位置传感器将转子磁极3的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常有电机转子代替），固定部分与定子相连。图1.1 无刷直线电动机原理如图1.1所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件(a、b、。)与电机定子三相绕组(AX，BY，
10、CZ)之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1中，当电动机转子N极位于A(a)处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A(流入)、X(流出)，便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转;当N极旋转至B(b)处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C(c)处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120电角度，因此三
11、相绕组轮流通电时间也因为每相120。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。三相定子绕组采用Y型连结，逆变器4为两两通电方式，通电后能形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度60一120度之间。其各相绕组导通示意图如图1.2所示图1.2 各组绕组导通示意图由上述的分析可见，要使直流无刷电动机正确的换相运行，必须知道图1.3所示的六个转子关键位置5，六个转子关键位置即对应着直流无刷电动机的反电
12、动势的过零点后的360(电角度)处。如果是有位置传感器直流无刷电动机，则可以通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，如果是无位置传感器无刷直流电动机，则需要通过直流无刷电动机的三相定子绕组的反电势直接或间接获得转子的位置信息。1.1.3 直流无刷电机的结构图1.4是直流无刷电机内部结构的简化示意图。我们以此来介绍无刷电机内部的结构。一台直流无刷电机由一个永磁转子与多极定子绕组组成。在永磁转子与定子绕组间存在由定子绕组所激发的磁场6，它对永磁转子产生磁力矩。电能就是由于这个力矩的推动转子运动而转化为机械能的。为实现顺时针的转子运动，应该在图1.4中电流过程2结束时进行电流的交换，启动电
13、流过程3。对标号为1到6的6个可能的电流过程顺序交换，每次交换都精确地在正确的时刻进行，一周下来可以驱动转子转动360度电气角度7。图1.3 直流无刷电机内部结构简化示意图简化的电机结构图1.3中，电气角一周就是机械角度一周。在实际的应用中，直流无刷电机有多组定子绕组，相互并行，转子也是多极的。如果有两组这样电路，机械转动一周电角度转动2周，所以双绕组电机中，每次电流交换经历的机械转动角度是30度。下面讨论均用电角度，应注意与机械角度区别。直流电机具有良好线性机械特性，控制相对简单。直流无刷电机调速和启动特性好，堵转转矩大，同时它也具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点;由于解决了换
14、向问题，它的转矩不再受机械换向的限制。完整的无刷电机系统有电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。转子位置传感器可分为电磁式(电磁位置变压器)、光电式和磁敏式，电磁式体积较大，得到的是交流高频信号;光电式得到的是直流信号，稳定可靠，信号较弱;磁敏式元件体积小重量轻。磁敏式元件有霍耳元件8、磁敏二极管和磁敏电阻等。其中，霍耳元件体积小重量轻，结构原理简单。由于电动自行车体积小，且转子采用稀土永磁钢，故电机内一般采用霍耳元件作为位置传感器。1.2 EDA1.2.1 什么是EDAEDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从
15、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 EDA技术9就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地
