畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于CPLD的直流電機(jī)PWM控制器設(shè)計.doc

I畢業(yè)設(shè)計題目基于CPLD的直流電機(jī)PWM控制器設(shè)計II摘要直流電機(jī)由于具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制性能優(yōu)良等特點。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，用基于（復(fù)雜可編程邏輯器件）CPLD的數(shù)字電子系統(tǒng)對電動機(jī)進(jìn)行控制，為實現(xiàn)電動機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。該設(shè)計介紹了直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理以及CPLD集成芯片。采用CPLD作為中央控制器件，負(fù)責(zé)信號處理，速度快、可靠性高；使用VerliogHDL語言編寫程序更加簡單方便。直流電機(jī)PWM調(diào)速裝置具有調(diào)速范圍寬、低功耗、可實現(xiàn)在線調(diào)試等特點。對直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)方案的組成、硬件電路設(shè)計、程序設(shè)計及系統(tǒng)仿真分別進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。文中還給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理，給出了具體電路，討論了各個電路模塊實現(xiàn)的功能。論文中利用Modelsim軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真。本系統(tǒng)是以CPLD為其控制核心，輸入電路向CPLD控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令，以有源晶振構(gòu)成的時鐘電路發(fā)出信號?？刂葡到y(tǒng)接收命令后直接向H型橋式驅(qū)動電路發(fā)出PWM控制信號。輸出電路主要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、啟?？刂?、速度在線可調(diào)功能。關(guān)鍵詞直流電機(jī)；PWM；CPLDIIIAbstractBecauseoftherapidresponseDCmotor,precisionandhighefficiency,widespeedrange,loadcapacity,goodcontrolperformanceandsoon.WiththedevelopmentofEDAtechnology,ComplexProgrammableLogicDeviceusingCPLD-baseddigitalelectronicsystemsonmotorcontrol,digitalcontroltoachievethemotorprovidesanewandeffectiveways.ThisdesignofPWMDCmotorspeedcontrolprincipleandtheCPLDICisdescribedindetail.UsingCPLDasthecentralcontroldevice,forsignalprocessing,highspeed,highreliability；anditsmucheasiertouseVerliogHDLforprogramming.DCMotorPWMSpeedRegulatorhaswidespeedrange,lowpowerconsumption,enablingonlinedebuggingandsoon.PWMDCmotorspeedcontrolsystemonthecompositionoftheprogram,thehardwarecircuitdesign,processdesignandsystemsimulationweredescribedindetail.Thepaperalsogivesthehardwaredesignprinciple,givenaspecificcircuit,discussedthefunctionsofeachcircuitmodule.ThereusingModelsimsoftwaresystemmodeling,simulation.ThesystemisbasedonCPLDcoreforitscontrol,controlsysteminputcircuittotheCPLDcontrolcommandsissuedtoactiveformoftheclockoscillatorcircuitsignal.ControlsystemreceivestheordersdirectlytotheH-bridgedrivercircuitPWMcontrolsignaltoissue.Mainachievedoutputcircuitrotating,andfromstopcontrol,speed-lineadjustablefeatures.KeywordsDC；PWM；CPLD目錄摘要.IAbstract.II第一章前言.11.1課題的研究目的和意義.11.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.3課題研究的主要內(nèi)容.2第二章直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案.32.1直流電機(jī).32.2直流電機(jī)調(diào)速原理.32.3直流電機(jī)PWM調(diào)速方案.42.4CPLD的PWM調(diào)速方案.52.4.1串口通信模塊.62.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊.62.4.3PWM產(chǎn)生模塊.72.4.4轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)模塊.8第三章控制邏輯VerliogHDL描述.93.1VerliogHDL硬件描述語言.93.1.1概述.93.1.2主要功能.93.2CPLD內(nèi)部邏輯組成.103.3運行控制邏輯電路描述.11第四章直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真.134.1CPLD開發(fā)環(huán)境的介紹.134.2正/反轉(zhuǎn)與啟/?？刂品抡?134.3加/減速仿真.144.4仿真結(jié)果分析.15結(jié)論.16參考文獻(xiàn).17附錄1.18附錄2.18附錄3.21致謝.22基于CPLD的直流電機(jī)PWM控制器設(shè)計1第一章前言1.1課題的研究目的和意義電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用，無論是在工農(nóng)生產(chǎn)、交通運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機(jī)，如汽車、電視機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等等也離不開電機(jī)。同時，在越來越多的應(yīng)用場合，只能旋轉(zhuǎn)的電機(jī)己無法滿足要求，而是要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或反轉(zhuǎn)以及準(zhǔn)確停止等功能。必須尋找新的電機(jī)控制器來適應(yīng)時代的發(fā)展。電機(jī)的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的參數(shù)受外界影響大，而且精度也較差。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點。隨著工業(yè)電氣化、自動控制和家電產(chǎn)品等領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品的需求，人們對電機(jī)控制技術(shù)的要求有所提高。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，用基于復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD的數(shù)字電子系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，為實現(xiàn)電動機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）器件集成度高、體積小、速度快，以硬件電路實現(xiàn)算法程序，將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，從而降低了功耗，提高了可靠性。電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用CPLD實現(xiàn)數(shù)字化控制,是電氣傳動發(fā)展的主要趨勢。采用CPLD控制后,整個調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或正/反轉(zhuǎn)以及準(zhǔn)確停止、在線調(diào)速等功能,操作維護(hù)方便,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平,各項指標(biāo)均能較好地滿足高性能電氣傳動的要求。由于CPLD的外部連線少,電路簡單,便于控制,具有較佳的性能價格比,所以在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。直流電機(jī)大多數(shù)采用PWM（脈寬調(diào)制）的方法進(jìn)行控制，它有兩種模式：一種是采用模擬電路控制，另一種是采用數(shù)字的控制。模擬控制由于其調(diào)試復(fù)雜等固有原因，正逐漸被淘汰。而在數(shù)字控制技術(shù)中，CPLD的數(shù)字PWM控制具有精度高，反應(yīng)快，外部連線少，電路簡單，便于控制等優(yōu)點廣泛的被人們使用，應(yīng)而研究CPLD具有十分重要的意義。對于本次設(shè)計目的在于：（1）掌握基于CPLD的直流電機(jī)PWM控制原理，學(xué)會應(yīng)用VerilogHDL語言進(jìn)行基于CPLD的直流電機(jī)PWM控制器設(shè)計2編程（2）通過對本課題的研究,掌握ModelsimSE開發(fā)技術(shù)的編程方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。熟悉現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計流程。CPLD用于控制領(lǐng)域特別是電機(jī)控制還是比較少的，本設(shè)計為電機(jī)控制系統(tǒng)提供一種的控制方法，在電機(jī)控制方面作了一些片內(nèi)系統(tǒng)的初步研究。本設(shè)計采用賽靈斯公司的CollRunnerII系列標(biāo)器件來控制直流電機(jī)，講解了設(shè)計流程，分析了現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計方法，并初步研究了CPLD產(chǎn)生PWM信號的方法。本設(shè)計將電機(jī)控制所使用的一些基本功能盡可能地集成在一片CPLD上，設(shè)計論述了利用CPLD對直流電機(jī)進(jìn)行控制時所起的各部分功能PWM波的產(chǎn)生、在線調(diào)速、正反向控制邏輯，并利用硬件描述語言對PWM波在CPLD中進(jìn)行組合邏輯變換，并進(jìn)行仿真。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，PWM源于上世紀(jì)九十年代，其思想源于通信技術(shù)，但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展使得PWM理論越來越成熟，其發(fā)展的速度越來越快速。已經(jīng)取代傳統(tǒng)的可控硅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。由原先的“電機(jī)控制”“電氣傳動”已發(fā)展到“運動控制”的新階段。IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。在國內(nèi)PWM有理論基礎(chǔ)逐漸成熟，但在應(yīng)用上，國內(nèi)外差距也很大。PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用是近年來才開始的，原因是我國的電子工業(yè)的基礎(chǔ)比較差。PWM調(diào)速系統(tǒng)中所需的關(guān)鍵部件IGBT管靠進(jìn)口。近年來，我國已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT大電流晶體管，從而為該技術(shù)推行奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。PWM電機(jī)調(diào)速方案將會是