直流电机的PWM控制设计

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1、直流电机的PWM控制设计姓 名： 学 号： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 2012年11月8日目 录一、 设计要求- 2二、 设计方案- 2三、 设计原理- 3-6四、 电路的总仿真图- 6-9五、 源程序- 10六、 仿真结果与分析- 10七、结论与心得- 11八、参考文献- 11直流电机PWM控制设计一、设计要求 设计一个直流电机PWM控制器，并能进行启停与正反转控制；二、设计方案基于Verilog HDL的直流电机PWM设计方案直流电机PWM控制器产生的PWM波形，只需要FPGA内部资源就可以实现，如数字比较器、锯齿波发生器等均为FPGA内部资源，我们只要直接调用就可以。

2、外部端口Z/F、START接在键盘电路上，其具体的连接方式如图1。其工作原理是：旋转方向控制电路控制直流电动机转向和启/停,该电路由两个2选1的多路选择器组成,Z/F键控制选择PWM波形是从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的旋转方向。当Z/F=1时，PWM输出波形从正端Z进入H桥，电机正转。当 Z/F =0时，PWM输出波形从负端F进入H桥，电机反转。Start键通过“与”门控制PWM输出,实现对电机的工作停止/控制。当START=1时，与门打开，允许电机工作。当START=0时，与门关闭，电机停止转动。H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过方向控制电路送到 H 桥,

3、经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。 基于FPGA的直流电机PWM控制省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单，便于控制。FPGA的直流电机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。三、设计原理3.1设计总原理本课程设计通过Verilog HDL编写程序，通过FPGA实现其实物效果。基于FPGA的直流电机PWM控制电路主要由四部分组成：控制命令输入模块、控制命令处理模块、控制命令输出模块、电源模块。系统的控制命令输入模块，向FPGA芯片发送命令，FPGA芯片是系统控制命令的处理模块，负责接收、处理输入命令并向控制命令输出模块发出PW

4、M信号，是系统的控制核心。控制命令输出模块由H型桥式直流电机驱动电路组成，它负责接收由FPGA芯片发出的PWM信号，从而控制直流电机的正反转。电源模块负责给整个电路供电，保证电路能够正常的运行。在Verilog HDL的编写方面，通过if、else语句实现嵌套功能，来实现START、PWM、Z_F、Z、F的关系联系，设置PWM、Z_F、START为输入，设置电机的正反转Z、F为输出，从而实现对电机PWM的启停、正反转的控制。START是电机的开启端，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。PWM其主要作用是向FPGA控制系统提供时钟脉冲，控制电机进行运转。通过键盘设置PWM信号。Z_F键是

5、电机运转的方向按键，当把Z_F键按下时，Z_F=1，电机正转；反之Z_F =0时，电机反转。START是电机的开启键，当START=1，允许电机工作；当START=0时，电机停止转动。H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过由两个二选一电路组成的方向控制电路送到 H 桥, 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。3.2设计总原理图 图1 总电路设计图从总电路设计图可以看出，Z_F、START、PWM为输入端，Z、F为输出端，中间通过二选一选择器来连通。3.3模块设计和相应模块程序3.3.1 逻辑控制模块FPGA中的工作/停止控制和正/反转方向控制电路，其两个二选一多路选择器加上两个与门根

6、据逻辑原理组合而成。START键通过“与”门控制PWM输出,实现对电机的工作/停止控制。当START端接高电平时，表示接通电源，电机开始运转；当START端接低电平时，电机停止运转。Z_F键控制选择PWM波形是从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的旋转方向。当Z_F=1时PWM输出波形从正端Z进入H桥，电机正转。当 Z_F =0时PWM输出波形从负端F进入H桥，电机反转。仿真过程如图2所示，仿真结果如图3所示。图2 仿真过程图3正/反转工作控制电路波形3.3.2 启动/停止模块当START=1时，与门打开，允许电机工作。当START=0时，与门关闭，电机停止转动。波形如图4所示。

7、图4 启动/停止波形四、 电路的总仿真图4.1 正/反转电路仿真键盘的Z_F是电机的方向控制键，当要求电机正转时，只需要按下键Z_F，表示Z_F输出高电平，即Z_F=1，Z与PWM的波形一致，F为0，电机正转，如图,5所示。当键Z_F松开时，Z_F0时，F与PWM的波形一致，Z为0，电机反转，如图6所示，电机正反转关系对比如图7所示。图5 电机正转仿真图6 电机反转仿真图7电机正反转仿真4.2 启/停控制仿真START键是电机的启动键，当按下START键时，START=1,电机进入运行状，如图8所示。反之，START=0时，电机停止，如图9。START整体控制效果如图10所示。图8 电机启动仿

8、真图9 电机停止仿真图10 电机启动/停止仿真五、源程序module pwm(start,pwm,z_f,z,f);input z_f,pwm,start;output reg z,f;always (pwm)begin if(start) begin if(z_f) begin z=pwm;f=0;end else begin f=pwm;z=0;end end else begin z=0;f=0;endendendmodule 六、仿真结果分析由于没有相应的机器设备以及本次课程设计要求只是设置相应程序，所以我们没有在实体机上实验。但是通过Quartus II可以很好的达到相应的效果，在试

9、验机上应该也能完美的实现其功能。本次设计中，Z_F是电机的方向按键，选择PWM波形的进入方向，当其为1时，电机正转，当其为0时，反转。至于电机的控制，是通过START键来控制电机的启停控制。其具体的操作如下：当按下键Z_F键时，电机正转，松开键时，电机反转。当按下键START时，电机开始工作，松开时，电机停止工作。电路中省去了D/A 转换器使电路变得更加简洁, 同时也降低控制器的成本。FPGA 内部采用状态机结构, 遇到干扰时, 能很快从异常状态转入正常工作状态, 保证了控制系统具有高的可靠性。从以上的仿真中可以看出，基于FPGA的直流电机的控制能够达到很好的预期效果。七、结论与心得本次EDA

10、课程设计题目为直流电机PWM设计，实现用PWM对于电机的控制。此次课设需要用硬件描述语言（Verilong HDL）编写程序，并在Quartus II软件平台上进行程序的编译和仿真。此次EDA课程设计历时一周时间，五人一组合作进行系统的设计。整个程序经过我们思考和相互间的分析讨论，将整个系统划分启停模块与正反转模块2个功能模块，彼此配合进行2个功能模块设计和程序的编写。此次课程设计让我们更好地应用了课本上的知识，让我们更加形象的理解EDA以及Quartus II的使用及实用，为我们以后参加相应工作打下扎实的基础。 经历一周时间的不懈努力和团队之间配合，我们终于完成预定的目标。虽然其中遇到一些很

11、多困难，一些问题，但在我们其他人的相互支持和鼓励下，都能够得以顺利的找到解决办法，并在学习中相互提高，彼此进步，在逆境中体会到合作的乐趣。EDA技术是我们电子信息工程专业的很重要的专业技术课程，EDA技术极大地提高了电路设计的效率和可操作性，是一门实际应用很广泛的技术。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。所以，EDA课程的学习对于我们自身素质和能力的提高有十分

12、重要的积极作用，对我们以后参加相应的工作有很大的帮助，我们应该好好的学习。这次课程设计在黄河老师的带领下顺利完成了，感谢黄河老师的悉心教导，在我们遇到难题困难时，老师为我们指明了方向，让我们不至于盲目的寻找解决方法，真心感谢黄河老师。八、参考文献1 王金明著.数字系统设计与Verilog HDL(第4版).电子工业出版社.2012.7；2 百度网： 东华理工大学课程评分表学生姓名: 班级: 学 号: 课程题目设计：直流电机的PWM控制设计项目内容满分实评选题能够结合自己所学的建模知识、有一定的能力训练，符合选题要求5工作量适中，题目难易程度合理，符合我们小组共同完成10能力水平能够熟练的应用所学的知识，有一定的查找资料的能力10理论依据充分，计算数据准确，公式推导正确10能应用计算机软件编程，资料搜集、加工、排版、制图等10能体现新思维新方法，15成果质量模型正确合理各项技术符合指标要求15摘要叙述简练完整，假设合理，问题分析正确，结论严谨合理；问题处理科学规范，料提清晰，语言流畅结构严谨，版面清晰明了15论文主要部分齐全合理、符号统一，编号齐全。格式、绘图、表格、插图等正确规范，符合论文要求10数字不少于2000字，不超过15000字5总分100指导老师评语：指导老师签名：年 月 日12