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1、摘要随着时代的进步和科技的发展，直流电机在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对直流电机的研究有着积极的意义。长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占据主导地位，这主要是因为直流电机不仅仅调速方便，而且在磁场一定条件下，转速和电枢电压成正比。并且由于直流电机具有优良的起动、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速。在本文中，我们设计一个直流电机。利用FPGA可编程芯片实现对直流电机PWM控制器的设计，对直流电机转速进行控制。用VHDL语言编程实现直流电机PWM控制器的PWM产生模块、转向调节模块等功能。主要分为如下模块： 1、PWM模块：设定计数器设置
2、PWM信号的占空比，以此来驱动。2、正反转控制模块：控制电机的正转和反转。3、去抖动模块：实现直流电机转速的精确测量，主要用来消除直流电机的抖动，能够便于观察。4、显示模块：该模块主要用来显示直流电机的转速及档位。关键词：直流电机、PWM、控制、速度、FPGA目录一. 任务解析.3二. 系统方案论证.3 2.1总体方案与比较论证 2.2 系统原理与结构三PWM模块.5 3.1 方案的设计 3.2 方案的实现 3.3 方案的仿真四. 正反转模块设计.7 4.1 方案的设计 4.2 方案的实现 4.3 方案的仿真五去抖动模块.8 5.1 方案的设计 5.2 方案的实现 5.3 方案的仿真 六. 显
3、示模块.9 6.1方案的设计 6.2方案的实现 6.3方案的仿真 七. 总结.10 7.1 功能验证 7.2 性能测试 7.3 误差分析 7.4 整体仿真 7.5 心得体会八参考文献.12九附录.12一任务解析 利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制。（1）基本要求： a速度调节：4档，数字显示其档位。 b能控制电机的旋转方向。 c通过红外光电电路测得电机的转速，设计频率计用4位10进制显示电机的转速。（2）发挥部分 a设计“去抖动”电路，实现直流电机转速的精确测量。 b修改设计，实现直流电机的闭环控制，旋转速度可设置。课程设计要求我们利用PWM控制技术以及VHDL语言编写代码来实现对直流电
4、机的控制。根据设计要求我们要对电机的正反转控制、速度调节、测量电机的转速并用4位10进制显示电机的转速以及设计去抖动电路进行设计，实现对直流电机转速的精确测量以及实现直流电机的闭环控制等。根据设计要求，我们可以通过FPGA产生PWM波形，其中，数字比较器的一端接设定值计数器的输出，另一端接锯齿波发生器输出。那么数字比较器的输出端即是PWM波形。我们将输出的PWM波通过接入正反转控制来控制电机是否开始工作。另外，我们采用两个二选一选择器来实现电机的正反转控制。并将电机转速脉冲信号通过去抖电路送入频率计，并在数码管显示。 二系统方案论证2.1 总体方案与比较论证 方案1：采用线性控制方式进行直流电
5、机的控制 此方式一般用于小功率电机平滑转速控制。 方案2：采用一般模拟PWM波进行直流电机控制 此方案接有D/A转换器和模拟比较器，外部连线多，电路复杂，不便于控制，故该方案不理想。 方案3：使用单片机设计控制的直流电机 通过单片机，我们完全能够实现驱动模块，转速模块显示模块等需要的模块。硬件电路简单，所用器件少，但精度不易满足，产生调控范围小，难以产生较高转速。 方案4：基于FPGA实现对直流电机的控制 通过用VHDL语言编写各个模块，再加以整合，从而实现整体功能。采用此方案，所形成的电机功能稳定性强，精度高，可控范围较大，能形成最大速度较大，更能满足设计任务。比较以上4种方案，可知方案4简
6、洁灵活，控制性能等均比其他方案强，能完全达到设计要求，故采用第4种方案。2.2系统原理与结构电机转速预置电机速度级别显示 PWM模块 电机速度 控制模块PWM参考频率 A Y1电机正转 GND B 22MUX S Y2 电机反转 电机方向控制 1Hz 电机转速显示 电机转速脉冲信号 频率计 去抖动电路 参考频率直流电机控制原理框图 转速测量 直 流 键盘控制 F P 显示电路 电 GA 机 串口通信 驱动电路硬件系统框图设定值计数器设置PWM 信号的占空比。当U /D = 1，输入CL K2， 使设定值计数器的输出值增加，PWM占空比增加，电机转速加快。 当U/D = 0，输入CL K2，使设
7、定值计数器的输出值减小，PWM 占空比减小，电机转速变慢。在CL K0 的作用下，锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时, 数字比较器输出低电平；当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM 波形。旋转方向控制电路控制直流电动机转向及启动停止， 该电路由两个2 选1 选择器组成, Z/F 键控制选择PWM 波形从正端Z 进入H 桥，还是从负端F 进入H 桥，以控制电机的转动方向。START 键通过“与”门控制PWM 的输出， 实现对电机的工作停止控制。H 桥电路由大功率晶体管组成，PWM 波形通过方向控制送到H 桥，经功率放大以后驱动电机转动。三.
8、PWM模块设计 3.1方案的设计 PWM控制电路由计数器、锯齿波发生器及数字比较器组成，由此来实现PWM的波形输出。图中的DECD是一个转速控制模块，输入端接按键，来选择档位的大小；其输出的一端为档位的显示，另一端接CMP比较器的输入端。CNT8是一个八位的二进制计数器，作为脉宽计数器。脉冲计数器在CLK5的激励下输出从0开始的逐渐增大的锯齿波。将DECD和CNT8的输出端接到比较器CMP的输入端。两路数值同时加在数字比较器上，当脉宽计数器输出值小于DECD输出的规定值时，比较器输出低电平；当脉宽计数器输出值大于DECD输出的规定值时，比较器输出高电平。改变 DECD的输出值就等于改变PWM的
9、输出信号的占空比，也等于改变了周期，这样就实现了速度调控。 3.2方案的实现 3.3方案的仿真 DECD的仿真如下： CNT8的仿真如下： CMP的仿真如下： 总体呈现仿真如下： 如上图所示：输入端D_STP接按键2调节速度的大小，CLK5输入的的信号，DLED2.0显示档位的大小，0到4的五个档位。其中，0档位表示停止转动，1、2、3、4档位依次增大。四. 正反转模块设计4.1方案的设计 该模块利用两个二选一选择器来控制正反转。 当输入为1时，两个MUX21都选a，但下面那个MUX21的a却是接地的，因此只有上面的MUX21输出，此时为正转；而转速由上面的比较器输出信号控制。 当输入为0时，
10、两个MUX21都选b，但上面那个b缺失却是接地的，因此只有下面的MUX21输出，此时为反转；而转速由上面的比较器输出信号控制。 Z/F键控制选择PWM波形从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的转向。按键1控制正反转。4.2 方案的实现4.3方案的仿真由此图可以看出，由CMP引出的输出端作为正反转的输入端和连接硬件按键1的Z/F可以控制电机的正反转。五去抖动模块 5.1方案的设计去抖动电路采用两个D触发器和相应的门电路来实现。去抖动电路的滤波时钟选择为1024HZ。两个D触发器进行级联连接，经触发器产生Q1和Q2两个信号。那么去抖动电路即为Q1的非与Q2经过一个与门来实现。5.2方
11、案的实现5.3方案的仿真六. 显示模块 6.1 方案的设计 此部分分为两个显示模块，一个是档位的显示，另一个是转速的显示。 电机档位显示模块采用DLED2.0的3位2进制来显示档位。其档位显示在数码管8中。 转速的显示是由一个频率器组成，一个输入端接去抖动电路的输出端，另一输入端接CLK0。可以通过数码管显示转速，其转速显示在数码管1和数码管2 中。 6.2 方案的实现档位显示： 转速显示： 6.3方案的仿真由上图可知，频率计来显示速度的大小，D_OUT0接数码管1，显示转速的个位；D_OUT1接数码管2，显示转速的十位。七总结7.1功能验证 通过把设计完成的工程下载到GW48-SOPC实验箱中FPGA芯片上对设计所要求达到的功能进行验证，通过验证本次设计只能够完成直流电机速度显示、正反转、调档、去抖动等功能，但是由于能力和时间的原因没有实现直流电机的闭环控制，没有达到旋转速度可调设置的要求。 7.2性能测试 速度测试：最高速度62转/s，最低速度20转/s。 调速测试：将速度分为5档-0、1、2、3、4。0档表示停止转动，1、2、3、4转速依次递增。 正反转测试：当按下按键1时，发光二级管亮，即正转；再按一下则反转。7.3误差分析 本次设计在硬件验证这一环节出现一定的误差，这包括两方面的产生一是设计本身产生的，二是实验系统造成的。
