电机控制系统

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1、黑龙江科技学院课程设计任务书、设计题目：电机控制系统的设计 二、设计的主要内容： 电机控制系统有3种运 作方式，分别为正转反转和暂停，有定时系统让电 机按程序以一定模式工作，并可以将设定时间和剩 余时间显示在数码管显示器上。指导教师：日 期：教师评语：评阅成绩：评阅人：日 期：摘要本设计提出了一 种利用 VHDL 语言设计电机控制器 的思 路，该控制器能够实现方向控制、工作方式选择，工作时间 的显示等多种功能。本系统共有 6 个模块.分别为减法计数器 模块, 信号翻译器模块, 编码寄存电路 模块,时序电路模块, 数码管显示模块和顶层模块.他们分别负责倒数计时（counter）, 将时序信号转电

2、机控制信号（decoder）,将输入的时间编码为 2个4位BCD码（settime）,输出时序信号（shixu），数码管 的数字显示（showtime）。通过顶层文件调用不同模块的方式 构 成本 系 统 。 该系 统 具有 修 改 方便 、 使用 灵 活 、可 靠 性高 、 可移植性强等优点。关键词：vhdl，电机控制，仿真第一章 电机控 制 系 统概 述1.1 电机控制系统的 设 计目 的 和背景随着电 子技术 的发展， 现场可编 程门阵列 FPGA 和复 杂可编 程 逻辑器件 CPLD 的出 现，使得 电子系统 的设计者 利用与器 件相 应的电子设计软件，在实验室里就可以设计自己的专用集成

3、电路 ASIC 器 件 。本文就是利用 VHDL 在 CPLD 器件上实现一种电机控制系统， 能够识别输入的时间、方向等信号控制电机的运作。这个系统具 有体积小、可靠性高、可编程的特点。可以运用于电扇，洗衣机 等不同电器上。通过对电机控制系统的设计，巩固和综合运用所学课程，理 论联系实际，提高设计能力，提高分析、解决计算机技术实际问 题 的独立工 作能力。 同时通 过课程设 计，深入 理解 VHDL 语言的 精髓和掌握运用所学的知识，达到课程设计的目标。1.2 电机控制系统 设 计要 求本系统要求通过将输入的工作时间和工作方向通过接口电 路送给翻译器将控制信息传给直流电机，并通过七段译码器将剩

4、 余时间显示在数码管上，并通过不同的程序给予直流电机不同的 工作方式来实现电机正转、反转、暂停的相互转换。并且由时序 电路达到这种工作方式的主动化更改与结束。具体如下：（1）计数器输入的为分钟数，每隔 60 秒计数器减 1。（2）控制电机按 20 秒正转，停十秒。20 秒反转，停十秒顺序运 行。（3）将剩余时间显示在数码管上。第 2 章电机控制系统设 计思 想2.1 主要 控制 原 理2.1. 1 电 机 控制 系统 原 理 图总共具有 5 种不同的元件，分别负责不同的功能 ：十进制 BCD 码减法计数器是用于控制系统的计时，时序电路负责存储电机的 工作方式，信号翻译器负责将时序电路的信号翻译

5、为电机可识别 信号，编码器负责将输入的时间转换为 2 个 4 位编码给 2 个数码 管 显示。具 体原理图 如下图 2-1:RUNREVPAUSE图 2-1 电机控 制原 理图2.1.2 电 机 控 制 系 统 设 计 内 容设计六个模块来实现一个简单的电机控制系统，主要可以控 制电机工作的时间和工作方式并将剩余工作时间显示出来。整个系统的输入端口一共有三个，分别是开关控制输入端 口、工作时间输入端口和时钟频率输入端口。输出端有三个分别 是正转输出端口、反转输出端口和暂停输出端口。同时有两个七 段 数字显示 器。时 间数据由 工作时间 输入端口 存储到 十进制 BCD 码减法计数器中并显示在七

6、段数码管显示器中。通过开关控制输 入端口开始程序将开始信息传到时序电路中启动时序电路。时序 电路将输出方法传递到信号翻译器中翻译并给出最终输出信号。2.2 模 块 设 计共设计 6 个模块分别如下：1. (b2d)顶层文件：引用各个模块组成电机控制系统。2. ( c ou nter) 十 进 制 B CD 码 减 法 计 数 器 ： 实现输入的为分钟数，每隔 60 秒计数器减 1。3. (decoder) 信号翻 译器： 将时序电路的信号翻译为暂停，正转，反转信号。4. ( s et time) 预 置 时 间 与 编 码 寄 存 电 路 ：将输入的 1-10 分钟编为 2 个 4 位的 BC

7、D 码。5. ( s hi xu) 时 序 电 路 ：控制电机按 20 秒正转，停十秒。 20 秒反转，停十秒的顺序运行。6. ( s ho wtime) 数 码 管 显 示 器 ： 实现数码管显示。第 3 章 系统的程序说明和仿真3.1 顶 层 文 件K 为工作时间的输入端口，输入的一个 10 位的二进制数。 START 为此程 序的 启动输入端 口。当从 K 端口 输入工作 时间时，数据会 传递到 十进制 BCD 码减 法计数器中，并由十进制 BCD 码减法计数器将 K 译码传递到数码 管 显示器中 显示是数 码管上。当 START 端口 为高电平 时则为程 序 的 开始，十进 制 BCD

8、 码 减法计数 器开始倒数 ，时序电路启动 并将 信号传递到信号翻译器，翻译器开始工作传递最终控制信号到电 机 中。同时 十进制 BCD 码减 法计数器 中置 TIME_REMAINH 每次改 变都会通过数码管显示器显示在七段数码管上表示剩余时间。- start load1- elk-E RUN-e REV-E PAUSEk10.1-e rdIIINI硕删III呗呗呗呗呗呗皿硕侧呗皿呗叭测IMIII1 厂飞厂1厂6仿 真 图形 如 下 图 3-1：图 3-1 电机 控制系统仿真图3.2 十 进 制 BCD 码 减 法 计 数 器十进 制 BCD 码减法计 数器主要 实现的功 能为定时 功能。输

9、入 时间信号后开始倒数计时，到计数器为零时停止。其中START为开始的输入端口，CLK为时钟输入端口 ,MIME_REMAIN 为 输出时间数据到数码管的输出端口 ， K 为输入 时间数据的输入端口。TIME_IS_UP为电机工作状态的输出端口。 通过将 K 中 的数字装入 TIME_REMAINH 中 开始并开始计时， 置 TIME_ second 为 60 并开始每一秒减一， TIME_ second 为零时从 新开始并置 TIME_REMAINH 减一。 一直循环到 TIME_REMAINH 为 零 时结束程序,并置 TIME_IS_UP 为 0 表示电机停止运行。仿真图形 如下图 3-

10、2：图 3-2 十进制 BCD 码减法计数器仿真图3.3 信号翻译 器从时序电路中传来的信号并不能直接用于驱动直流电机的 运转，必须通过信号翻译器将这两个输入信号翻译成三个分别为 RUN（正转），REV （反转），PAUSE（暂停）的信号再输出给直流电机 来控制电机。其中Q1和Q2是从时序电路来的控制信号,RUN为正转输出信 号， REV 为反转输出 信号， PAUSE 为暂停输出 信号.这是一个简单 的译码器，当 Q1 和 Q2 输入为 00， 01， 10 时分别输出 为 001， 010 100， 其他为 000。通过 CASE 语句翻译 Q1 和 Q2 的 输出 情况， 其 他的时候输

11、出 000 表示出 错。仿 真图形如 下图 3-3：100.0ns200.0ns300.0ns400.0ns500.0ns600.0ns700.0ns800.0ns900.0nstf-QI0II-e RUN0-E REV1-E PAUSE0图 3-3. 信 号 翻 译 器仿 真 图3.4 预置 时 间 与编 码 寄存 电 路预置时间与编码寄存电路， 将输入的 1-10 分钟编为 2 个 4 位的BCD码。K为时间输入端口，LOAD为时钟输入端口，O为2 个 4 位的 BCD 码的输出 端口 。仿真图形 如下图 3-4：1.0us2 Ous3.Ous4.Ous5.Ous6.Ous7.0us8.O

12、us9.Ous1- loadkoiiiiiiiiiH 0908图 3-4. 预置时间与编码寄 存电路仿真图3.5 时 序 电 路时序电路是不同功能实现的基础，通过调整程序中正转和反 转的持续时间和顺序达到调整电机运转方式的功能。其中Q1和Q2为输出信号量送至信号翻译器中。CP为时钟输 入端口。RD和EN为程序开始的信号输入端口。由于运作方式已 经内置在程序中 ，调整输出 方式只能修改程序中 的相应数据。 程 序开始后会依次执行正传，反转，暂停并循环。 直到结束。仿真图形 如下土 3-5：JIX X / UJLLLUJJJJJJLmJCL00000000JLUJCUJJJJJLECLLEX000

13、00009LDOCOCOp 厂A- rdA- en-cpq2q1旨P wash_time旨沪 wait_time1.0us2.0us3.Ous4 Ous5.Ous6.Ous7.0us8.Ous9 Ous图 3-5. 时 序 电 路 仿 真 图3.5数 码 管 显 示 器数码管显示器将输入的从 0-9 的 4 位二进制数，以七段译码 器的方式输出 。 可以使用一个 7 位向量来分别表示中 的七段数码 管，如图3-6所示：abcd图 3-6 七段 LED 与向量元素的对应图各个 LED 的选通表示不同的字母， 该程序采用数据流描述方 式。Cp 信 号 为 时 钟 信 号 ， remain_time

14、 信 号 为 输 入 的 数字 ， Q1 为 低位输出 ， Q2 为高位输出 ， A,B,C,D,E,F,G 分别对应 7 个数码管。 进 程是以输 入信号为 敏感量的 。通过 CASE 语句 将输入信 号翻译 成输出信号。定义输入信号作为进程的敏感量触发进程，将输入信号赋值 给内部数值信号，通过CASE语句翻译0-9七段译码的输出情况， 其他的时候输出-1表示出错。仿真图形 如下图 3-7 所示 ：100.0ns200.0ns300.0ns400.0ns500.0ns600.0ns700.0ns800.0ns900.0nsiE-cp0I rr rJ rr rJ rq20qi0I0I-Ef1e1rd1c1-e b1