1、指导教师：周 彬,论文题目： 基于FPGA的直流电机的PWM控制系统,班 级： 通信12-2答 辩 人： 康建明学 号： 201210602214,目录,论文的研究内容及意义论文的研究现状和研究价值系统总体设计系统核心模块系统核心模块仿真致谢,论文的研究内容及意义,研究背景: 直流电动机是一种能量转换的装置，具有良好的启动停止、正转反转以及便于测速等特性，在国民经济中起着重要作用。在日常生活中的家用电器，随处可见各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等家用电器。同时，在越来越多的应用场合，普通的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速启停或反转以及准确测速等功能。因此我们必须寻找新的电
2、机控制器来适应时代的发展。,研究内容: 随着电子技术的发展，用基于现场可编程门阵列FPGA的数字电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。现场可编程门阵列(FPGA)器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性。尤其是硬件描述语言的出现，解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便。针对以上情况，本课题提出基于现场可编程门阵列（FPGA）的直流电机PWM控制系统设计。,研究意义： 随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的方向发展。而直流电动机具有良好的起动、制动性
3、能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。它过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动、反转和测速能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。最近几年来，由于直流电机的优秀性能，人们采用FPGA等各种可编程硬件为基础，可以大幅度提高逻辑系统的精确度和系统可靠性。,论文的研究现状从80 年代中后期起,世界各大电气公司都在竞相开发直流电机装置，当直流电机的控制发展到一个很高的技术水平，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力, 在国内外得到广泛的应用。在国内，从20世纪60年代初初步实现直流电机在工
4、业中的使用。目前，直流电机控制系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。直流电机控制的科技装置的优点，使得直流电机在人们生活中的应用越来越广泛。我国现在大部分数字化控制直流电机控制装置依靠进口，但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产数字控制直流电机装置的发展空间。,论文的研究现状和研究价值,系统总体设计,FPGA芯片为控制核心,通过按键或上位机设定电机速度和PWM占空比,由FPGA的I/O口控制直流电机驱动芯片驱动直流电机的转动。转速的测量由码盘完成,速度显示数码管来实现。本系统是基于实现电机的恒速调节而进行设计的。如下图所示，系统分以下几个模块:转速控制模块,PWM信号产生模块,速度检测模块,电
5、机正反转模块、电机转速采集模块。系统框图如下：,系统总电路:,PWM信号产生模块通过比较器产生周期性的PWM信号；转速控制模块通过键盘改变提供给FPGA控制系统的时钟脉冲，从而改变PWM信号占空比，最终达到调控电机旋转速度的目的；电机正反转方向控制模块通过外部按键生成送入H桥电路控制电机正转、反转的触发信号来控制电机的转向；速度测量模块通过霍尔传感器测得的转速脉冲信号计算出电机的旋转速度。,系统核心模块,FPGA模块 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块
6、IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排成一个阵列，散布于整个芯片中，可编程I/O 模块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列于芯片周围；可编程内部互联线包括各种长度的线段和编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O 块连接起来，构成特定的功能电路。,PWM信号产生器,PWM波是由锯齿波产生器CNT5输出信号AA3.0和直流电机转速控制模块DECD速率等级输出信号SP3.0同时加至数字比较器的两个输入端，进行比较，如AA3.0的值大于SP3.0输出值，则比较器输出低电平，反之输出
7、高电平，由此产生周期性的PWM波形，若改变速度等级设定值，就可以改变PWM输出信号的占空比。,直流电机旋转方向控制电路用于控制直流电动机正反转和启/停状态，该电路由两个二选一的多路选择器组成，key_rot键控制电机的正反转，当key_rot=1时，PWM输出波形从正端foreware进入H桥，电机正转；当key_rot=0时，PWM输出波形从负端reverse进入H桥，电机反转。key_start键通过锁存器LATCH控制PWM的输出，实现对电机的工作/停止控制：当key_start=1时，LATCH的门打开，允许PWM波输出，电机启动；当key_start=0时，LATCH门关闭，PWM波
8、无法输出，则电机不转动。正反转控制电路如下图所示：,正反转模块,系统核心模块仿真,锯齿波产生器的功能与仿真 锯齿波产生器由5位二进制计数器实现，计数器在CLK上升沿的激励下输出计数脉冲的高四位AA4.0,舍弃最低位AA0,这样可以输出逐渐增大的锯齿波，当计数值记至25=32反0，继续下一轮计数，以此形成逐渐上升的锯齿波信号。,电机启/停和正/反转仿真 直流电机的启停控制由LPM定制的Latch函数实现，正反转由两个二选一的数据选择器完成，整个电路模块的波形仿真如图所示。图中Latch有两个输入端，一路为PWM信号，另一路为直流电机启/停控制端key_start，key_start的状态可以控制
9、PWM信号是否被输出，如当key_start=1时启动电机，此时若直流电机正反转控制按键key_rot=1，则正转输出端foreware将PWM信号送至H桥，直流电机正转；同样条件下，若key_rot=0，则反转输出端reverse将PWM信号送至H桥，直流电机反转。一旦key_start=0则电机停止转动，foreware和reverse端无信号输出。,本次设计原理电路,：直流电机转速设定端D_STP、锯齿波产生器时钟信号clk_5、电机启停端key_start、电机反转控制端key_rot光码盘脉冲信号oe_in和直流电机测频门控时钟信号clk_1HZ。其中D_STP、key_start、key_rot可用按键控制；clk_5、clk_1HZ接频率信号；oe_in与光码盘输出信号相接。输出信号有电机转速当位设定值DLED1.0和电机频率值Dout15.0,这两个值可用数码管进行显示。,大学学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够顺利完成，要特别感谢我的指导老师周彬老师，感谢各位老师的关心和帮助。,致谢,Thanks!,
