直流电机PWM控制的FPGA实现

thinkfunny · 发表于 2019-12-2 11:32

EDA365欢迎您登录！

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册

x

课题名称：直流电机PWM控制的FPGA实现
摘要
文章详细地介绍了直流电机的类型、结构、工作原理、PWM调速原理以及FPGA集成芯片。并对直流电机PWM调速系统方案的组成、硬件电路设计、程序设计及系统仿真分别进行了详细的叙述。拟开发的直流电机PWM调速装置具有调速范围宽、低功耗、可实现在线调试等特点。本系统是以FPGA为其控制核心，输入电路以键盘作为输入方式向FPGA控制系统发出控制命令，以有源晶振构成的时钟电路发出信号。控制系统接收命令后直接向H型桥式驱动电路发出PWM控制信号。输出电路主要实现正反转、起停控制、速度在线可调功能。本设计已通过了实验仿真。

关键词：直流电机；PWM；FPGA；有源晶振

Abstract
This paper introduces clearly the construction and the principle of DC Motor and the principle of the Speed Control based on PWM and integrated FPGA chip.And describes detailly and operately the program of DC Motor speed control based on PWM how to be formed and the design of the hardware circuit ,the design and the System Simulation .The device of DC Motor speed control based on PWM being invented has the follow characteristics : wide speed control range, low power idle, debugging on line and so on, at the same time , it can achieve the automation .The control center of the system is the FPGA, and the input circuit delivers the orders over the keyboard as its input method to the FPGA adopting the way of the Breach. While quartz crystal clock circuit and inverter which is consisted of hARMonic oscillator clock signal sent to the system ,when the FPGA receives the orders，and later sends the PWM signal to the output circuit ,witch is the line-clectric ouhe circuit and the H board bridge drive circuit .The output circuit chiefly controls DC Motor to move in the clockwise or the other direction .The design has been tested through the experiment ,and the program is debugged successfully.

Keywords: DC Motor ；PWM；FPGA ；oscillator

目录
摘要
Abstract
1 前言
1.1 课题的来源
1.2 课题研究的目的和意义
1.3 课题国内外研究现状
1.4 课题研究的主要内容
2 直流电机PWM调速系统方案设计
2.1 直流电机
2.2 直流电机调速原理
2.4 基于单片机的直流电机PWM调速方案
2.5 基于FPGA的直流电机调速方案
2.6 方案论证
3 直流电机PWM调速控制电路设计
3.1 系统工作原理
3.2 键盘电路设计
3.3 系统时钟电路设计
3.4 H型桥式驱动电路设计
3.5 电源电路设计
3.6 主要元器件简介
4 控制逻辑VHDL描述
4.1 VHDL硬件描述语言
4.2 FPGA内部逻辑组成
4.3 PWM脉宽调制信号产生电路描述
4.4 运行控制逻辑电路描述
5 直流电机PWM调速系统仿真
5.1 FPGA开发环境的介绍
5.2 建立工程项目
5.3 正/反转控制仿真
5.4 启/停控制仿真
5.5 加/减速仿真
5.6 仿真结果分析
6 总结
参考文献
致谢
1

1 前言

1.1 课题的来源

电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。
电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的参数受外界影响大，而且精度也较差。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随着工业电气化、自动控制和家电产品等领域对电机控制产品的需求，人们对电机控制技术的要求有所提高。由于传统的8位单片机其内部体系结构和计算功能等条件限制，在实现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。因此，目前最为普遍的做法是使用高性能的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度的需求。将一系列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统。随着EDA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。
电动机调速系统采用FPGA实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。采用FPGA控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线调速等功能,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FPGA的外部连线少,电路简单,便于控制,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[1]。

1.2 课题研究的目的和意义

直流电机大多数采用PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰。而在数字控制技术中，FPGA的数字PWM控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，应而研究FPGA具有十分重要的意义。对于本次设计目的在于：
（1）掌握基于FPGA的直流电机PWM控制原理，学会应用EDA技术进行编程
（2）通过对本课题的研究,掌握EDA开发技术的编程方法，培养创新意识和理论联系实际的学风。熟悉现代电子产品的设计流程。
FPGA用于控制领域特别是电机控制还是比较少的，本设计为电机控制系统提供一种的控制技术，在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。本设计利用ALTERA公司的FPGA芯片—FLEX10K10作为目标器件来控制直流电机，讲解了MAX+Plus II设计流程，分析了现代电子产品的设计方法，并初步研究了FPGA产生PWM信号的方法。
本设计将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片FPGA上，本设计论述了利用FPGA对直流电机进行控制时所起的各部分功能—PWM波的产生、在线调速、正反向控制逻辑，并利用硬件描述语言对PWM波在FPGA中进行组合逻辑变换，并进行仿真。

1.3 课题国内外研究现状

在国外，PWM源于上世纪九十年代，其思想源于通信技术，但随着现代电子技术的发展使得PWM理论越来越成熟，其发展的速度越来越快速。已经取代传统的可控硅电机调速系统。由原先的“电机控制”“电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。
在国内PWM有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。PWM调速系统的应用是近年来才开始的，原因是我国的电子工业的基础比较差。PWM调速系统中所需的关键部件IGOT管靠进口。近年来，我国已开发出具有自主知识产权的IGOT大电流晶体管，从而为该技术推行奠定了物质基础。PWM电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础[2]。

+ C5 Z8 x+ |9 v1.4 课题研究的主要内容

本设计提出了两种控制方案：一种是基于单片机的直流电机控制，另一种是基于FPGA的直流电机控制，通过方案的论证与比较，采用后者调速方案。
本设计的主要内容是掌握基于FPGA的直流电机PWM控制原理，设计具有正/反转、起/停控制功能、速度在线可调的直流电机控制装置。通过对直流电机控制的研究，掌握EDA开发技术。
本设计详细的分析了直流的结构、主要技术参数、工作原理和调速原理，基于FPGA的PWM波形产生的过程，并用VHDL描述PWM波形。本设计的所有功能均在ALTERA公司的MAX+Plus II软件下通过仿真。本设计对PWM波形数据进行测试与详细的分析。

2 直流电机PWM调速系统方案设计电机可分为变压器、异步电机、同步电机和直流电机四个机种。其中变压器是静止的电气设备，其余均为旋转电机。异步电机和同步电机均为交流电机。在本次设计中用到的是直流电机，直流电机是实现直流电能与机械能转的装置[1]。以下详细介绍了直流电机的基本结构、工作原理、主要技术参数和调速原理。2.1 直流电机2.1.1 直流电机基本结构直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。

游客，如果您要查看本帖隐藏内容请回复

yin123 · 发表于 2019-12-2 18:17

看看啦

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册

[毕业设计] 直流电机PWM控制的FPGA实现

EDA365欢迎您登录！

浏览过的版块

推荐内容 /1