基于ppga的直流電機(jī)控制課程設(shè)計

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，由于具有價格低廉、易于控制、無積累誤差和計算機(jī)接口方面等優(yōu)點，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)計就是用FPGA控制直流電機(jī)，使其實現(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)計的直流電機(jī)，主要有以下三個

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)計原理是改變PWM信號的占空比，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，電機(jī)能夠改變轉(zhuǎn)動方向。設(shè)計原理是按鍵按下時改變加在電機(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)計原理是設(shè)計一個頻

3、率計，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)計要求...............................................................................2</p><p>　　1.2 要求分析........................................................................

5、.......2</p><p>　　二 設(shè)計原理......................................................................................3</p><p>　　2.1 電機(jī)驅(qū)動原理...............................................................

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........................................................................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)計要求</b></p><p>　　本次設(shè)計要

11、求利用PWM控制技術(shù)實現(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)計一個按鍵，每按一下，速度調(diào)節(jié)一個檔位2.正反轉(zhuǎn)控制模塊：應(yīng)設(shè)計

12、一個按鍵，當(dāng)按鍵按下時，電機(jī)能夠改變轉(zhuǎn)動方向。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)計原理</b></p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動原理 </b

13、></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵磁繞組輪流通以電流，實現(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四相勵磁繞組分別通電時產(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，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、時電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了一個齒距。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)運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。θM與電機(jī)的相數(shù)和電機(jī)的運行拍數(shù)有關(guān)。相數(shù)越多，拍數(shù)越多，可以實現(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，總有二相繞組同時通電，一相電流逐漸增大，另一項逐漸減小。對于一個步距角，電流可以變化N個臺階，也就是電機(jī)位置可以細(xì)分為N個小角度，這就是電機(jī)的一個步距角被N細(xì)分

16、的工作原理。</p><p>　　3.FPGA直流電機(jī)驅(qū)動控制電路原理</p><p>　　FPGA直流電機(jī)驅(qū)動控制電路圖如下：</p><p>　　圖2 FPGA直流電機(jī)驅(qū)動控制電路</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，其核

17、心是改變每個PWM周期的占空比。在這里需要產(chǎn)生一個設(shè)定值計數(shù)器，一個鋸齒波發(fā)生器和一個數(shù)字比較器。</p><p>　　具體地說，設(shè)定值計數(shù)器就是根據(jù)按鍵按下時選取的不同檔位，輸出一個不同的數(shù)值。本次設(shè)計速度分為四檔，檔位為0時轉(zhuǎn)速為0，每增加一檔，轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，四檔時轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。據(jù)此，首先要設(shè)計一個檔位調(diào)節(jié)模塊，當(dāng)輸入不同的檔位數(shù)值時，要輸出一個計數(shù)值，這個數(shù)值規(guī)定了設(shè)定值計數(shù)器的輸出數(shù)值。當(dāng)檔位增加時，設(shè)定

18、值計數(shù)器的值相應(yīng)增加，從而改變PWM信號占空比，使其占空比增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快。設(shè)定值計數(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>　　實驗室的電機(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)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)還達(dá)不到一轉(zhuǎn)，這樣就不能對每一轉(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)計好了一個設(shè)定值計數(shù)器和一個鋸齒波發(fā)生器，這兩個數(shù)值加在數(shù)字比較器輸入端進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定值計數(shù)器的值大于鋸齒波比較器的值時，比較器輸出高電平；當(dāng)設(shè)定值計數(shù)器的值小于鋸齒波比較器的值時，比較器輸出低電平。以實現(xiàn)50%占空比的PWM信號為例，鋸齒波計數(shù)器為8位，最大計數(shù)值為256，

20、當(dāng)按鍵按下時，把設(shè)定值計數(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CLK時鐘，比較一次設(shè)定值和計數(shù)器值的大小。由此可知，在前128個時鐘信號內(nèi)，設(shè)定值都是大于計數(shù)器值的，數(shù)字比較器輸出高電平；在后一個128時鐘信號內(nèi)，設(shè)定值都是小于計數(shù)器值的，數(shù)字比較器輸出低電平；然后計數(shù)器值又從零開始記，在接下來的128個時鐘內(nèi)，設(shè)定值又小于計數(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PWM信號周期內(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，設(shè)定值也跟著改變，由此PWM信號的占空比改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會改變。設(shè)定值越大，PWM信號占空比越大，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PWM周期信號之間高電平相距很近，當(dāng)PWM信號的占空比增大時，由于兩個PWM信號周期相距很近，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信號的占空比時電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不會明顯的增大了。若CLK0的頻率再高，超過了H橋的承受能力的話，電機(jī)就不會轉(zhuǎn)了。如果CLK0頻率過低，輸出的相鄰兩個PWM周期信號高電平相距較遠(yuǎn)，這樣的PWM信號加到電機(jī)上，在低占空比的時候，和正常頻率，相同占空比的PWM信號相比，頻率低的PWM信號高電平維持的時間較長，這樣的話，當(dāng)電機(jī)遇到高電平時，就會一直加速，遇到低電平時又一直減速，轉(zhuǎn)速很不穩(wěn)定。實際上，CLK0的選取是由H橋的頻率決定的，但H橋被封

23、裝在實驗箱內(nèi)部，它的各個參數(shù)無法知道，所以要通過測驗來選定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)電路主要由兩個二選一選擇器組成，每個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，輸出端z_z為1，z_f端為0；當(dāng)z_f輸入為0

25、時，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，經(jīng)分析可以得到，T1、T4兩個三極管導(dǎo)通，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動；當(dāng)z_f輸入為0時，T2、T3兩個三極管導(dǎo)通，這時加到電機(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)速顯示模塊實際上就是設(shè)計一個頻率計。電機(jī)轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)旁邊的紅外檢測電路就會產(chǎn)生一個脈沖。把這個脈沖通過一個消抖電路后作為頻率計待測頻率的輸入端。頻率計部分的工作原理是：先設(shè)置一個計數(shù)器，然后由1Hz的輸入時鐘經(jīng)過倍頻得到2Hz的時鐘信號，當(dāng)2Hz的時鐘信號

27、為高電平時，去檢測有無紅外電路的脈沖信號到來，每當(dāng)紅外脈沖信號到來，計數(shù)器加一。其原理就是檢測在一秒時間內(nèi)紅外電路產(chǎn)生的脈沖的個數(shù)，即檢驗在一秒時間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)動了多少圈。最后把一秒時間內(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&

28、lt;/b></p><p>　　紅外檢測電路產(chǎn)生的脈沖信號在加到頻率計輸入端時，在開始的一段短暫的時間里，會產(chǎn)生抖動，所以要設(shè)計一個消抖電路去除抖動。消抖電路設(shè)計原理圖如下：</p><p>　　圖7 消抖電路原理圖</p><p>　　輸入信號開始會有一段抖動，然后頻率趨于穩(wěn)定。很明顯，抖動的那一段信號的周期相對于穩(wěn)定后的信號來說很短。我們就可以通過兩個

29、D觸發(fā)器濾除抖動的那一段信號。假設(shè)第一個D觸發(fā)器的輸出為D1，第二個D觸發(fā)器的輸出為D2。當(dāng)CLK上升沿到來時，若這時的輸入信號為高電平，那么輸出的D1就為1，D1經(jīng)過一個非門變成0，D1的非與D2相與，輸出是0。第二個CLK上升沿到來時，若輸入信號還為高電平，則這時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，輸入信號變成低電平時，這時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，在一個輸入信號高電平到來時，至少需要兩個CLK周期才能輸出高電平，而抖動的那一段信號由于周期太短，滿足不了這個要求，因此抖動信號就不會輸出，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，用FPGA控制步進(jìn)電機(jī)，實現(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)和實踐的機(jī)會。通過課程設(shè)計，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，對如何設(shè)計一個系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的了解，積累了很多經(jīng)驗。</p><p>　　從下載測試的結(jié)果來看，設(shè)計的要求基本上都實現(xiàn)了。但是仍存在不少問題。實驗室的電機(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，以期找到一個能夠使轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時的最佳頻率，但是當(dāng)我把頻率再增大的時候，就很容易會超出H橋電路可承受的頻率范圍，在1、2、3檔的時候電機(jī)都不能轉(zhuǎn)。到4檔滿占空比的時候電機(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)試了很長時間，但是最終還是沒有能夠找到一個最佳的頻率，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，同時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。而且也沒能嘗試把開環(huán)設(shè)計成閉環(huán)。</p><p>　　在

33、設(shè)計的過程中，開始照著EDA課本上的原理設(shè)計，后來才發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的電路有很多地方都滿足不了設(shè)計要求，使設(shè)計一度遭遇了很大困難。通過與同學(xué)討論請教，逐步改進(jìn)了設(shè)計，終于使設(shè)計的電路和設(shè)計要求相吻合。在這中間，通過不斷提出問題，解決問題，我對這次設(shè)計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，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)計一個系統(tǒng)的時候不能夠統(tǒng)籌兼顧，不能夠從總體上把握設(shè)計的思路，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)實踐，理論畢竟只是理論，要多參加實踐，這樣才能提高自己的能力，積累經(jīng)驗。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實用教程【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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