直流电机调速控制器

2016~ 2017 学年第 1 学期《数字系统设计》课程设计报告题目：直流电机调速控制器设计专业：电子信息工程班级： 14信息2班姓名：朱世界张成哲李昌峰彭宇洪日波指导教师：周珍艮电气工程系2016年11月27日1、任务书摘要在现代工业生产中电机是不可或缺的，电机分为交流电机和直流的电机，而直流电机的主要优点是能够在较大的范围内调速，因此直流电机在生产和生活中也得到广泛的应用。

直流电动机转速的控制方法可分为俩类，即励磁控制法与电枢电压控制法。

PWM（脉宽调制）是常用的一种调速方法，其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加，电机断电时，其速度减低。

要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

并且结合VHDL语言实现硬件设计软件化。

关键字：PWM，直流电机，VHDL目录第一章方案设计 ............................................................................... - 5 -1.1 直流电机基本结构 (5)1.2 直流电机调速原理 (5)1.3 基于FPGA的直流电机调速方案 (6)第二章直流电机PWM调速控制电路设计 (8)2.1 总体设计 (8)2.2 系统工作原理 (8)2.3 电源电路设计.......................................................................................... - 9 - 第三章控制逻辑VHDL描述 . (10)3.1 FPGA内部逻辑组成 (10)3.2 PWM脉宽调制信号产生电路描述..................................................... - 11 -3.3 运行控制逻辑电路描述........................................................................ - 15 - 第四章直流电机PWM调速系统仿真.......................................... - 17 -4.1 正/反转控制仿真 .................................................................................. - 17 -4.2 仿真结果分析 (17)总结 (19)参考文献.............................................................................................. - 20 -第一章方案设计1.1 直流电机基本结构直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。

固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。

定子与转子之间有一气隙。

在电枢铁心上放置了由A和X 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。

换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。

换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。

在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，由于转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。

对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。

通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。

当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。

直流电机的速度与施加的电压成正比，输出转矩则与电流成正比。

由于必须在工作期间改变直流电机的速度，直流电机的控制是一个较困难的问题。

直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM（脉宽调制）方波，其占空比对应于所需速度。

电机起到一个低通滤波器作用，将PWM信号转换为有效直流电平。

特别是对于微处理器驱动的直流电机，由于PWM信号相对容易产生，这种驱动方式使用的更为广泛。

1.2 直流电机调速原理所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。

对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。

其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。

PWM调速原理如图1.1所示。

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。

设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax ，设占空比为D=t1/T ，则电机的平均速度为Vd=Vmax·D式中，Vd ——电机的平均速度Vmax ——电机全通时的速度（最大） D=t1/T ——占空比平均速度Vd 与占空比D 的函数曲线，如图1.2所示。

最大值Vmax 平均值Vd 最小值Vmin图1.1 PWM 调速原理(V)1(D)图1.2 平均速度和占空比的关系由图1.2所示可以看出，Vd 与占空比D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。

因此也就可以看成电机电枢电压Ua 与占空比D 成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。

由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。

1.3 基于FPGA 的直流电机调速方案FPGA图 1.3 基于FPGA的直流电机调速系统如图1.3所示为基于FPGA的直流电机调速方案的方框图，用FPGA产生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。

外部端口U_D、EN1、Z/F、START接在键盘电路上，CLK2和CLK0接在外部时钟电路上，所用到的时钟频率为100MHz和50MHz，其具体的连接方式如图2.1。

其工作原理是：设定值计数器的设置PWM的占空比。

当U/D=1时,输入CLK2,使设定值计数器的输出值增加, PWM的占空比增加,电机转速加快;当U/D =0时，输入CLK2，使设定值计数器的输出值减小,PWM的占空比减小,电机转速变慢。

在CLK0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,数字比较器输出高电平;当计数值大于设定值时,数字比较器输出低电平,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, 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。

并由EN1信号控制是否允许变速。

第二章直流电机PWM调速控制电路设计2.1 总体设计如图2.1所示，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。

键盘电路、时钟电路是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PWM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、加速以及在线调速。

电源模块负责给整个电路供电，保证电路能够正常的运行。

图2.1 FPGA直流电机PWM 控制电路2.2 系统工作原理在图2.1中所示的FPGA是根据设计要求设计好的一个芯片，其内部逻辑电路如图3.1。

START是电机的开启端，U_D控制电机加速与减速，EN1用于设定电机转速的初值，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。

CLK2和CLK0是外部时钟端，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信号的占空比。

当U_D=1时, 表明键U_D按下，输入CLK2使电机转速加快；当U/D =0，表明键U_D松开,输入CLK2使电机转速变慢，这样就可以实现电机的加速与减速。

Z_F键是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。

并由EN1信号控制是否允许变速。

2.3 电源电路设计由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，如果只用一组电源时会影响系统的正常工作，所以我们选用双电源供电。

一组5V给控制电路供电，另外一组12V给电机供电。

如图3.8所示。

电源部分分为两路，一路直接提供12伏的直流电源，主要是提供给电机使用，另一路通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给键盘电路和时钟电路使用，右边两个电容是5伏电源的滤波电容，绿色的LED 作为工作指示灯，只要电源部分正常，绿色的LED就会点亮，我们可以根据这个LED来判断整个电源部分是否工作正常。

DCVin Vout GNDVin Vout GNDc3470μFC40.1μFC50.1μFC610μFC710μFC80.1μF7812+12+578052.8 电源电路第三章 控制逻辑VHDL 描述3.1 FPGA 内部逻辑组成图3.1 FPGA 直流电机PWM 控制电路由图3.1可以看出电机控制逻辑模块由PWM脉宽调制信号产生电路、方向控制电路组成。

其中PWM脉宽调制信号产生电路由可控的加减计数器CNTA、5位二进制计数器CNTB、数字比较器LPM_ COMPARE三部分组成，方向控制电路由两个二选一电路21MUX组成。

3.2 PWM脉宽调制信号产生电路描述PWM脉宽调制信号产生电路由可控的加减计数器CNTA、5位二进制计数器CNTB、数字比较器LPM_COMPARE三部分组成。