直流电机的速度控制
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EDA课程设计报告
直流电机的PWM调速
一、概述
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于CPLD/FPGA性能优越，具有较佳的性能价格比，所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。
PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好；同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。
二、PWM调速的原理
图（1）
图（1）是全桥型的电机驱动电路，利用的是三极管的电流放大来驱动电机。从图上我们可以看到当Q4和Q3导通时，电机正转；当Q1和Q2导通时，电机反转。
设电机速度从静止开始加速，如图（2）所示，首先Q3，Q4必须维持导通一段时间，此时电机所承受的电压约为供电电压U，称之为强加速。待速度接近目标
速度时，加速可以减缓，此时Q3，Q4和Q1，Q2轮流导通，只是Q3，Q4在一个周期内所导通的时间t on比Q1，Q2导通的时间t off长一些，在此称为弱加速。任何时刻，电机所承受的平均电压U O，表示为U O = U×(t on-t off)( t on +t off)。如果速度已经达到目标，便可以调整t off和t on的时间比例使之相等，此时平均电压为0，是定速控制。由此可知，平均电压若为正值时，是加速控制；负值时是减速控制；为零时即达到匀速。
图（2）
三、程序的设计
在整个程序设计中，我们可以把他分成几个部分
1、PWM波形的产生
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY PWM IS
PORT ( CLK : IN STD_LOGIC;
U_D ,D_D: IN STD_LOGIC;
CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));
END PWM;
ARCHITECTURE ONE OF PWM IS
SIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(CLK)
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN
IF U_D = '1'AND D_D = '0' THEN
IF CQI = 255 THEN CQI <= "11111111";
ELSE CQI <= CQI + 1;
END IF;
ELSIF U_D = '0'AND D_D = '1' THEN
IF CQI=0 THEN CQI <= "00000000";
ELSE CQI<= CQI-1;
END IF;
ELSE CQI <= CQI;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
CQ <= CQI;
END PROCESS ;
END ONE;
上述程序中，一个PWM周期由256个时钟周期clk组成。通过U_D和D_D来改变一个周期中PWM周期中高低电平的比值，即PWM输出信号的占空比。驱动直流电机转动的是PWM电流的平均值，PWM输出信号的占空比变化，也就改变了直流电机的转速。
U_D表示增加占空比；D_D表示减少占空比。
下面四幅仿真图表示的是四种状态：
当U_D=1，D_D=0时CQ增加；
当U_D=0，D_D=1时CQ减少；
当U_D=1，D_D=1时CQ不变；
当U_D=0，D_D=0时CQ不变；
程序的仿真图为：
图（3）
图（4）
图（5）
图（6）
2、7段译码器程序
LIBRARY IEEE ;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ;
ENTITY DECL7S IS
PORT ( A : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
LED7S : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0) ) ;
END ;
ARCHITECTURE one OF DECL7S IS
BEGIN
PROCESS( A )
BEGIN
CASE A IS
WHEN "0000" => LED7S<= "0111111" ;
WHEN "0001" => LED7S<= "0000110" ;
WHEN "0010" => LED7S<= "1011011" ;
WHEN "0011" => LED7S<= "1001111" ;
WHEN "0100" => LED7S<= "1100110" ;
WHEN "0101" => LED7S<= "1101101" ;
WHEN "0110" => LED7S<= "1111101" ;
WHEN "0111" => LED7S<= "0000111" ;
WHEN "1000" => LED7S<= "1111111" ;
WHEN "1001" => LED7S<= "1101111" ;
WHEN "1010" => LED7S<= "1110111" ;
WHEN "1011" => LED7S<= "1111100" ;
WHEN "1100" => LED7S<= "0111001" ;
WHEN "1101" => LED7S<= "1011110" ;
WHEN "1110" => LED7S<= "1111001" ;
WHEN "1111" => LED7S<= "1110001" ;
WHEN OTHERS => NULL ;
END CASE ;
END PROCESS ;
END ;
这个程序是7段数码管的显示程序，改程序中没有考虑数码管的小数点（h 段）。如果需要添加段h，则程序中LED7S : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0)的（6 DOWNTO 0)改为（7 DOWNTO 0)。