电机调速控制设计

系统设计专题之电机调速控制设计

学院：自动化与电气工程学院

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1CPLD系统简介

1.1CPLD简介

CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL 和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

1.2CPLD系统的基本构架

主要包括有处理器、外围电路及接口和外部设备三大部分其中外围电路一般包括有时钟、复位电路、。程序存储器、数据存储器和电源模块等部件组成。外部设备一般应配有USB、显示器、键盘和其他等设备及接口电路。在一片CPLD 微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个CPLD核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

1.3CPLD系统的特点

采用32位EPM3032A微处理器和实时操作系统组成的CPLD控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到1200MHz以上，接近PC机的水平，但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中。

实时性方面：CPLD机控制器内嵌实时操作系统（RTOS），能够完全保证控制系统的强实时性。

人机交互方面：CPLD控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面，这些方面的性能也接近于PC，优于单片机。

系统升级方面：CPLD控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（API）保证了系统能够快速升级和更新。

1.4CPLD技术的应用领域

CPLD技术可应用在：工业控制；交通管理；信息家电；家庭智能管理；网络及电子商务；环境监测；机器人等领域。

在工业和服务领域中，大量CPLD技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用CPLD系统来实现。

2设计内容

2.1任务目标

根据所学的CPLD系统的知识，通过硬件和软件想结合，编程控制电机的正转、反转、加速和减速。

2.2硬件原理图

硬件原理图如图1所示：EPM3032A芯片起到接收PWM信号并实现对电机的控制的作用。

图1 硬件原理图

2.3 H桥原理图

H桥电动机驱动电路包括4个三极管和一个电机。如图2所示。要使电机转动，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管的导通情况，电流可能从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图2 H桥原理图

当G1和G4导通时，电机受正向电压，导通一段时间后，令G4截止，由于电机中存在电感，电流不能突变，电流经G1和Q3导通续流，此时电动机两端的变压为零，输出电压的均值为电动机的电压。这样就实现了电机的正转。

在周期不变的情况下，改变变换器输出电压的占空比，就改变了输出电压均值，也就改变了电机的转速。当输出高电平的时间增大，而低电平所占的时间减小时，此时实现的是加速，反之就是减速。

当G2和G3导通，电机受负向电压，导通一段时间后，令G2截止，由于电机中存在电感，电流不能突变，电流经G3和Q1导通续流，此时电动机两端的变压为零，与正转类似，这样就实现了电机的反转。反转时也能实现加减速，同正转。

2.4直流电机调速

直流电机控制驱动芯片:L9110.

L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片 IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过800mA 的持续电流，峰值电流能力可达 1.5A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、脉冲电磁阀门驱动，步进电机驱动和开关功率管等电路上。

图3 L9110管脚定义、参数L9110直流电机控制芯片的管脚波形图：

图4 L9110管脚波形图L9110直流电机控制芯片的电路接线图。

图5 L9110电路接线图

利用脉冲宽度调制（PWM ）原理进行调速。PWM 是靠改变脉冲宽度来控制输出电压。如图3所示。通过改变周期来控制输出频率，而输出频率的变化可通过改变脉冲的调制周期来实现。

图6 脉冲宽度调速原理图 平均电压：p t U U T =⨯。/t T 为PWM 脉冲的占空比，决定平均电压的大小。占空比越大，电路开通时间越长。

PWM 具有以下优点：

（1）无需进行数模转换；

（2）抗噪性能强，PWM 是数字形式的，噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1，才能对数字信号产生影响，PWM 用于通信时极大的延长通信距离；

（3）PWM 既经济也节约空间。

3 实验一，熟悉编程环境与仿真工具

3.1QuartusⅡ编程软件

Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware 支持Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PCLD设计流程。

3.2在系统可编程器件设计步骤

1.创建新设计项目：设计的第一步，它的任务是建立一个项目，包括项目文件和项目标题。

2.选择器件：在器件选择窗口中选择要使用的器件。针对某个可编程器件进行设计时，建立项目后，应首先选择器件。

3.输入和修改源文件：设计过程中最重要的一步。所有的设计思想通过源程序的形式输入计算机。一个项目可能由一个或多个源文件组成。

4.编译与优化：编译用途和其他语言是一样的。若不能通过编译，则需修改源文件。

5.仿真：使用ModelSim软件进行仿真。目的是对设计的正确性进行检验。从功能上对设计的正确性进行检查，它假定信号的传输时间为0，与适配器的时间无关。若仿真结果与设计要求不符，则需修改设计。

6.下载：通过下载电缆，将生成的pof数据文件下载到电路EPM3032ATC44-10器件中。下载又称为编程。一个器件只有经过下载这一步骤，才能将设计成果转化为该器件的功能，在电路板上发挥应有的作用。

3.3建立由原理图源文件组成的设计

1.创建一个新的设计项目

（1）选择菜单File->New Project，在Create Project Wiszard对话框的Work Director栏中，选择工程保存路径，在Name中键入项目名。

（2）按Next按钮，出现添加工程文件的对话框，如下图：