基于ppga的直流電機(jī)控制課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要：</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)作為一種電脈沖--角位移的轉(zhuǎn)換元件，由于具有價(jià)格低廉、易于控制、無積累誤差和計(jì)算機(jī)接口方面等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。本次課程設(shè)計(jì)就是用FPGA控制直流電機(jī)，使其實(shí)現(xiàn)變速，正反轉(zhuǎn)等功能，掌握PWM控制的工作原理。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的直流電機(jī)，主要有以下三個(gè)

2、功能：</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，分為一、二、三、四檔，每增加一檔，轉(zhuǎn)速加快。設(shè)計(jì)原理是改變PWM信號(hào)的占空比，具體分析將在下面介紹。</p><p>　　正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，電機(jī)能夠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。設(shè)計(jì)原理是按鍵按下時(shí)改變加在電機(jī)兩端的電壓極性，具體分析將在下面介紹。</p><p>　　轉(zhuǎn)速顯示，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠正確顯示在數(shù)碼管上。設(shè)計(jì)原理是設(shè)計(jì)一個(gè)頻

3、率計(jì)，測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出到數(shù)碼管上顯示。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，F(xiàn)PGA，PWM，VHDL</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一任務(wù)解析.................................................................................

4、.....2</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)要求...............................................................................2</p><p>　　1.2 要求分析........................................................................

5、.......2</p><p>　　二 設(shè)計(jì)原理......................................................................................3</p><p>　　2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理...............................................................

6、........3</p><p>　　2.2 步距細(xì)分原理.......................................................................3</p><p>　　2.3 FPGA直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路原理....................................4</p><p>　　2.4

7、 轉(zhuǎn)速控制模塊.......................................................................4</p><p>　　2.5 正反轉(zhuǎn)控制模塊...................................................................7</p><p>　　2.6 轉(zhuǎn)速顯示模塊......

8、.................................................................8</p><p>　　2.7消抖電路設(shè)計(jì)........................................................................9</p><p>　　三 總結(jié)......................

9、.......................................................................10</p><p>　　四 參考文獻(xiàn).....................................................................................11</p><p>　　附.......

10、................................................................................................12</p><p><b>　　一、任務(wù)解析</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)要

11、求利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的速度控制，要求電機(jī)的速度分為4檔，要有數(shù)字顯示其檔位。要求能夠控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；能夠通過紅外光電電路測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　要求分析</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以大致勾勒出系統(tǒng)的組成模塊：1.轉(zhuǎn)速控制模塊：應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵，每按一下，速度調(diào)節(jié)一個(gè)檔位2.正反轉(zhuǎn)控制模塊：應(yīng)設(shè)計(jì)

12、一個(gè)按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)，電機(jī)能夠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。3.顯示模塊：能夠在數(shù)碼管上正確顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　由此分析，可以畫出系統(tǒng)原理框圖如下：</p><p>　　圖1 直流電機(jī)控制原理框圖</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 </b

13、></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場合成方向的變化來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。若步進(jìn)電機(jī)只有四相，TA、TB、TC、TD為步進(jìn)電機(jī)A、B、C、D四相勵(lì)磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場矢量；當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D四相輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場從TA--->TB--->TC--->TD，即磁場產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。一般當(dāng)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場變化一周

14、時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒距。由此步進(jìn)電機(jī)的步距角，Nr為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，θM為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。θM與電機(jī)的相數(shù)和電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)有關(guān)。相數(shù)越多，拍數(shù)越多，可以實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分，但是由于通過各相繞組的電流是開關(guān)量，只能通過各相的通電組合來減少θM和θB，這樣可以達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)有限。要使細(xì)分?jǐn)?shù)較大，就必須能控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流，使其按階梯上升或下降，即在零到最大相電流之間能有多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的

15、磁場矢量幅值也就存在多個(gè)中間狀態(tài)，這樣，相鄰兩相或多相的合成磁場的方向也將有多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)。</p><p><b>　　2.步距細(xì)分原理</b></p><p>　　以四相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分為例，一般情況下，總有二相繞組同時(shí)通電，一相電流逐漸增大，另一項(xiàng)逐漸減小。對(duì)于一個(gè)步距角，電流可以變化N個(gè)臺(tái)階，也就是電機(jī)位置可以細(xì)分為N個(gè)小角度，這就是電機(jī)的一個(gè)步距角被N細(xì)分

16、的工作原理。</p><p>　　3.FPGA直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路原理</p><p>　　FPGA直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路圖如下：</p><p>　　圖2 FPGA直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路</p><p><b>　　4.轉(zhuǎn)速控制模塊</b></p><p>　　在用FPGA控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，其核

17、心是改變每個(gè)PWM周期的占空比。在這里需要產(chǎn)生一個(gè)設(shè)定值計(jì)數(shù)器，一個(gè)鋸齒波發(fā)生器和一個(gè)數(shù)字比較器。</p><p>　　具體地說，設(shè)定值計(jì)數(shù)器就是根據(jù)按鍵按下時(shí)選取的不同檔位，輸出一個(gè)不同的數(shù)值。本次設(shè)計(jì)速度分為四檔，檔位為0時(shí)轉(zhuǎn)速為0，每增加一檔，轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，四檔時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。據(jù)此，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)檔位調(diào)節(jié)模塊，當(dāng)輸入不同的檔位數(shù)值時(shí)，要輸出一個(gè)計(jì)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值規(guī)定了設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)值。當(dāng)檔位增加時(shí)，設(shè)定

18、值計(jì)數(shù)器的值相應(yīng)增加，從而改變PWM信號(hào)占空比，使其占空比增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快。設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出加到比較器的一端，和鋸齒波發(fā)生器的數(shù)值進(jìn)行比較。鋸齒波發(fā)生器的數(shù)值來自對(duì)CLK0的分頻，它的位數(shù)取決于電機(jī)能夠達(dá)到的最大轉(zhuǎn)數(shù)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)室的電機(jī)一般都能達(dá)到100轉(zhuǎn)左右，所以鋸齒波發(fā)生器的位數(shù)不應(yīng)低于7位，若更低的話，每改變一位數(shù)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)還達(dá)不到一轉(zhuǎn)，這樣就不能對(duì)每一轉(zhuǎn)進(jìn)行細(xì)分，也就無法精確控制電機(jī)

19、的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)中把鋸齒波發(fā)生器位數(shù)設(shè)成了8位。</p><p>　　那么PWM信號(hào)的占空比具體是如何隨著檔位的不同而改變的呢？在前面已經(jīng)設(shè)計(jì)好了一個(gè)設(shè)定值計(jì)數(shù)器和一個(gè)鋸齒波發(fā)生器，這兩個(gè)數(shù)值加在數(shù)字比較器輸入端進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定值計(jì)數(shù)器的值大于鋸齒波比較器的值時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)設(shè)定值計(jì)數(shù)器的值小于鋸齒波比較器的值時(shí)，比較器輸出低電平。以實(shí)現(xiàn)50%占空比的PWM信號(hào)為例，鋸齒波計(jì)數(shù)器為8位，最大計(jì)數(shù)值為256，

20、當(dāng)按鍵按下時(shí)，把設(shè)定值計(jì)數(shù)器的值設(shè)為128。兩路數(shù)值加到數(shù)字比較器輸入端進(jìn)行比較。每來一個(gè)CLK時(shí)鐘，比較一次設(shè)定值和計(jì)數(shù)器值的大小。由此可知，在前128個(gè)時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)，設(shè)定值都是大于計(jì)數(shù)器值的，數(shù)字比較器輸出高電平；在后一個(gè)128時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)，設(shè)定值都是小于計(jì)數(shù)器值的，數(shù)字比較器輸出低電平；然后計(jì)數(shù)器值又從零開始記，在接下來的128個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，設(shè)定值又小于計(jì)數(shù)器的值，數(shù)字比較器又輸出高電平，由此往復(fù)。由此可以看到，在每一個(gè)PWM信號(hào)周期內(nèi)，

21、高電平和低電平各占一半，因此占空比為50%。當(dāng)檔位改變時(shí)，設(shè)定值也跟著改變，由此PWM信號(hào)的占空比改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)改變。設(shè)定值越大，PWM信號(hào)占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)度越快。</p><p>　　CLK0的選取也很關(guān)鍵，它的頻率不能過高，也不能過低。如果頻率過高的話，相鄰兩個(gè)PWM周期信號(hào)之間高電平相距很近，當(dāng)PWM信號(hào)的占空比增大時(shí)，由于兩個(gè)PWM信號(hào)周期相距很近，加在電機(jī)上的電壓可以認(rèn)為一直是高電平，那么再增大P

22、WM信號(hào)的占空比時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不會(huì)明顯的增大了。若CLK0的頻率再高，超過了H橋的承受能力的話，電機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)了。如果CLK0頻率過低，輸出的相鄰兩個(gè)PWM周期信號(hào)高電平相距較遠(yuǎn)，這樣的PWM信號(hào)加到電機(jī)上，在低占空比的時(shí)候，和正常頻率，相同占空比的PWM信號(hào)相比，頻率低的PWM信號(hào)高電平維持的時(shí)間較長，這樣的話，當(dāng)電機(jī)遇到高電平時(shí)，就會(huì)一直加速，遇到低電平時(shí)又一直減速，轉(zhuǎn)速很不穩(wěn)定。實(shí)際上，CLK0的選取是由H橋的頻率決定的，但H橋被封

23、裝在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部，它的各個(gè)參數(shù)無法知道，所以要通過測驗(yàn)來選定CLK0的大小。通過不斷改變CLK0大小，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速，選取最合適的CLK0的頻率。</p><p>　　以一檔輸出占空比25%，二檔輸出占空比50%，三檔輸出占空比75%，四檔輸出占空比100%的PWM信號(hào)為例，其仿真結(jié)果如下：</p><p>　　圖3 轉(zhuǎn)速控制電路仿真結(jié)果</p><p><b&

24、gt;　　正反轉(zhuǎn)控制模塊</b></p><p>　　正反轉(zhuǎn)控制電路圖如下：</p><p>　　圖4 正反轉(zhuǎn)控制電路</p><p>　　正反轉(zhuǎn)電路主要由兩個(gè)二選一選擇器組成，每個(gè)二選一選擇器的邏輯功能是：y=(s and a) or (not s and b)。通過分析很容易得到，當(dāng)z_f輸入為1時(shí)，輸出端z_z為1，z_f端為0；當(dāng)z_f輸入為0

25、時(shí)，輸出端z_z為0，z_f端為1。z_z作為圖2直流電機(jī)控制電路正轉(zhuǎn)輸入端接到T1三極管的基極，z_f作為反轉(zhuǎn)輸入端接到T3三極管的基極。當(dāng)z_z輸入為1時(shí)，經(jīng)分析可以得到，T1、T4兩個(gè)三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)z_f輸入為0時(shí)，T2、T3兩個(gè)三極管導(dǎo)通，這時(shí)加到電機(jī)兩端的極性和前一種情況相反，于是電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　正反轉(zhuǎn)控制電路仿真結(jié)果如下：</p><p>　　圖5

26、 正反轉(zhuǎn)控制電路仿真結(jié)果</p><p><b>　　6.轉(zhuǎn)速顯示模塊</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速顯示模塊實(shí)際上就是設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)旁邊的紅外檢測電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。把這個(gè)脈沖通過一個(gè)消抖電路后作為頻率計(jì)待測頻率的輸入端。頻率計(jì)部分的工作原理是：先設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，然后由1Hz的輸入時(shí)鐘經(jīng)過倍頻得到2Hz的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)2Hz的時(shí)鐘信號(hào)

27、為高電平時(shí)，去檢測有無紅外電路的脈沖信號(hào)到來，每當(dāng)紅外脈沖信號(hào)到來，計(jì)數(shù)器加一。其原理就是檢測在一秒時(shí)間內(nèi)紅外電路產(chǎn)生的脈沖的個(gè)數(shù)，即檢驗(yàn)在一秒時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少圈。最后把一秒時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)輸出到數(shù)碼管顯示。</p><p>　　轉(zhuǎn)速顯示模塊仿真結(jié)果如下：</p><p>　　圖6 轉(zhuǎn)速顯示仿真結(jié)果</p><p><b>　　7.消抖電路設(shè)計(jì)&

28、lt;/b></p><p>　　紅外檢測電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在加到頻率計(jì)輸入端時(shí)，在開始的一段短暫的時(shí)間里，會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)消抖電路去除抖動(dòng)。消抖電路設(shè)計(jì)原理圖如下：</p><p>　　圖7 消抖電路原理圖</p><p>　　輸入信號(hào)開始會(huì)有一段抖動(dòng)，然后頻率趨于穩(wěn)定。很明顯，抖動(dòng)的那一段信號(hào)的周期相對(duì)于穩(wěn)定后的信號(hào)來說很短。我們就可以通過兩個(gè)

29、D觸發(fā)器濾除抖動(dòng)的那一段信號(hào)。假設(shè)第一個(gè)D觸發(fā)器的輸出為D1，第二個(gè)D觸發(fā)器的輸出為D2。當(dāng)CLK上升沿到來時(shí)，若這時(shí)的輸入信號(hào)為高電平，那么輸出的D1就為1，D1經(jīng)過一個(gè)非門變成0，D1的非與D2相與，輸出是0。第二個(gè)CLK上升沿到來時(shí)，若輸入信號(hào)還為高電平，則這時(shí)D1為1，D2為1，D1的非與D2相與，輸出還是0。只有當(dāng)CLK上升沿到來，輸入信號(hào)變成低電平時(shí)，這時(shí)D1變成0，D2為1，D1的非與D2相與后，輸出才為1。由此分析，當(dāng)C

30、LK頻率選取合適時(shí)，在一個(gè)輸入信號(hào)高電平到來時(shí)，至少需要兩個(gè)CLK周期才能輸出高電平，而抖動(dòng)的那一段信號(hào)由于周期太短，滿足不了這個(gè)要求，因此抖動(dòng)信號(hào)就不會(huì)輸出，這樣就完成了消抖功能。</p><p>　　消抖電路仿真結(jié)果如下：</p><p>　　圖8 消抖電路仿真結(jié)果</p><p><b>　　三．總結(jié)</b></p>&l

31、t;p>　　本次課程設(shè)計(jì)，用FPGA控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速顯示等功能，是一次很好的學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。通過課程設(shè)計(jì)，我明白了電機(jī)工作的原理，以及用FPGA控制電機(jī)的原理。最重要的是，對(duì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的了解，積累了很多經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　從下載測試的結(jié)果來看，設(shè)計(jì)的要求基本上都實(shí)現(xiàn)了。但是仍存在不少問題。實(shí)驗(yàn)室的電機(jī)轉(zhuǎn)速一般都能夠達(dá)到100轉(zhuǎn)左右，但是通過我的不斷調(diào)試，

32、一般轉(zhuǎn)速能達(dá)到80多轉(zhuǎn)，然后再去改變CLK0的頻率，以期找到一個(gè)能夠使轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時(shí)的最佳頻率，但是當(dāng)我把頻率再增大的時(shí)候，就很容易會(huì)超出H橋電路可承受的頻率范圍，在1、2、3檔的時(shí)候電機(jī)都不能轉(zhuǎn)。到4檔滿占空比的時(shí)候電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，大概有100轉(zhuǎn)，但是很不穩(wěn)定。雖然調(diào)試了很長時(shí)間，但是最終還是沒有能夠找到一個(gè)最佳的頻率，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，同時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。而且也沒能嘗試把開環(huán)設(shè)計(jì)成閉環(huán)。</p><p>　　在

33、設(shè)計(jì)的過程中，開始照著EDA課本上的原理設(shè)計(jì)，后來才發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的電路有很多地方都滿足不了設(shè)計(jì)要求，使設(shè)計(jì)一度遭遇了很大困難。通過與同學(xué)討論請(qǐng)教，逐步改進(jìn)了設(shè)計(jì)，終于使設(shè)計(jì)的電路和設(shè)計(jì)要求相吻合。在這中間，通過不斷提出問題，解決問題，我對(duì)這次設(shè)計(jì)的原理有了更深的了解，也給我分析問題，解決問題提供了很多好的方法，好的思路。同時(shí)，我也發(fā)現(xiàn)了自己存在的很多不足。發(fā)現(xiàn)自己在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候不能夠統(tǒng)籌兼顧，不能夠從總體上把握設(shè)計(jì)的思路，也不能看清

34、問題的核心與關(guān)鍵所在。這些都需要在下面不斷學(xué)習(xí)實(shí)踐，理論畢竟只是理論，要多參加實(shí)踐，這樣才能提高自己的能力，積累經(jīng)驗(yàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實(shí)用教程【M】.北京:科學(xué)出版社，2007</p><p>　　[2] 侯伯亨，劉凱，顧新. VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏

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