課程設計論文利用PWM控制技術實現(xiàn)直流電機的速度控制

1、摘要摘要隨著時代的進步和科技的發(fā)展，直流電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對直流電機的研究有著積極的意義。長期以來，直流電機被廣泛應用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領域占據(jù)主導地位，這主要是因為直流電機不僅僅調(diào)速方便，而且在磁場一定條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比。并且由于直流電機具有優(yōu)良的起動、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在本文中，我們設計一個直流電機。利用 fpga 可編程芯片實現(xiàn)對直流電機 pwm 控制器的設計，對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制。用 vhdl 語言編程實現(xiàn)直流電機 pwm 控制器的 pwm 產(chǎn)生模塊、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)模塊等功能。主要分為如下模塊： 1、p

2、wm 模塊：設定計數(shù)器設置 pwm 信號的占空比，以此來驅(qū)動。2、正反轉(zhuǎn)控制模塊：控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。3、去抖動模塊：實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的精確測量，主要用來消除直流電機的抖動，能夠便于觀察。4、顯示模塊：該模塊主要用來顯示直流電機的轉(zhuǎn)速及檔位。關鍵詞：關鍵詞：直流電機、pwm、控制、速度、fpga目錄目錄一一. 任務解析任務解析.3二二. 系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案論證.3 2.1 總體方案與比較論證 2.2 系統(tǒng)原理與結構三三pwm 模塊模塊.5 3.1 方案的設計 3.2 方案的實現(xiàn) 3.3 方案的仿真四四. 正反轉(zhuǎn)模塊設計正反轉(zhuǎn)模塊設計.7 4.1 方案的設計 4.2 方案的實現(xiàn) 4.3 方案

3、的仿真五去抖動模塊五去抖動模塊.8 5.1 方案的設計 5.2 方案的實現(xiàn) 5.3 方案的仿真 六六. 顯示模塊顯示模塊.9 6.1 方案的設計 6.2 方案的實現(xiàn) 6.3 方案的仿真 七七. 總結總結.10 7.1 功能驗證 7.2 性能測試 7.3 誤差分析 7.4 整體仿真 7.5 心得體會八參考文獻八參考文獻.12九附錄九附錄.12一任務解析一任務解析 利用 pwm 控制技術實現(xiàn)直流電機的速度控制。（1）基本要求： a速度調(diào)節(jié)：4 檔，數(shù)字顯示其檔位。 b能控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。 c通過紅外光電電路測得電機的轉(zhuǎn)速，設計頻率計用 4 位 10 進制顯示電機的轉(zhuǎn)速。（2）發(fā)揮部分 a設計“去

4、抖動”電路，實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的精確測量。 b修改設計，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制，旋轉(zhuǎn)速度可設置。課程設計要求我們利用pwm控制技術以及vhdl語言編寫代碼來實現(xiàn)對直流電機的控制。根據(jù)設計要求我們要對電機的正反轉(zhuǎn)控制、速度調(diào)節(jié)、測量電機的轉(zhuǎn)速并用4位10進制顯示電機的轉(zhuǎn)速以及設計去抖動電路進行設計，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的精確測量以及實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制等。根據(jù)設計要求，我們可以通過fpga產(chǎn)生pwm波形，其中，數(shù)字比較器的一端接設定值計數(shù)器的輸出，另一端接鋸齒波發(fā)生器輸出。那么數(shù)字比較器的輸出端即是pwm波形。我們將輸出的pwm波通過接入正反轉(zhuǎn)控制來控制電機是否開始工作。另外，我們采用兩個二選一選

5、擇器來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。并將電機轉(zhuǎn)速脈沖信號通過去抖電路送入頻率計，并在數(shù)碼管顯示。 二系統(tǒng)方案論證二系統(tǒng)方案論證2.1 總體方案與比較論證總體方案與比較論證 方案 1：采用線性控制方式進行直流電機的控制 此方式一般用于小功率電機平滑轉(zhuǎn)速控制。 方案 2：采用一般模擬 pwm 波進行直流電機控制 此方案接有 d/a 轉(zhuǎn)換器和模擬比較器，外部連線多，電路復雜，不便于控制，故該方案不理想。 方案 3：使用單片機設計控制的直流電機 通過單片機，我們完全能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動模塊，轉(zhuǎn)速模塊顯示模塊等需要的模塊。硬件電路簡單，所用器件少，但精度不易滿足，產(chǎn)生調(diào)控范圍小，難以產(chǎn)生較高轉(zhuǎn)速。 方案 4：基于 fp

6、ga 實現(xiàn)對直流電機的控制 通過用 vhdl 語言編寫各個模塊，再加以整合，從而實現(xiàn)整體功能。采用此方案，所形成的電機功能穩(wěn)定性強，精度高，可控范圍較大，能形成最大速度較大，更能滿足設計任務。比較以上 4 種方案，可知方案 4 簡潔靈活，控制性能等均比其他方案強，能完全達到設計要求，故采用第 4 種方案。2.2 系統(tǒng)原理與結構系統(tǒng)原理與結構電機轉(zhuǎn)速預置電機速度級別顯示 pwm 模塊 電機速度 控制模塊pwm 參考頻率 a y1電機正轉(zhuǎn) gnd b 22mux s y2 電機反轉(zhuǎn) 電機方向控制 1hz 電機轉(zhuǎn)速顯示 電機轉(zhuǎn)速脈沖信號 頻率計 去抖動電路 參考頻率直流電機控制原理框圖直流電機控制原

7、理框圖 轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量 直直 流流 鍵盤控制鍵盤控制 f p 顯示電路顯示電路 電電 ga 機機 串口通信串口通信 驅(qū)動電路驅(qū)動電路硬件系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)框圖設定值計數(shù)器設置 pwm 信號的占空比。當 u /d = 1，輸入 cl k2， 使設定值計數(shù)器的輸出值增加，pwm 占空比增加，電機轉(zhuǎn)速加快。 當 u/d = 0，輸入 cl k2，使設定值計數(shù)器的輸出值減小，pwm 占空比減小，電機轉(zhuǎn)速變慢。在 cl k0 的作用下，鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當計數(shù)值小于設定值時, 數(shù)字比較器輸出低電平；當計數(shù)值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的 pwm 波形。旋轉(zhuǎn)方向

8、控制電路控制直流電動機轉(zhuǎn)向及啟動停止， 該電路由兩個 2 選 1 選擇器組成, z/f 鍵控制選擇pwm 波形從正端 z 進入 h 橋，還是從負端 f 進入 h 橋，以控制電機的轉(zhuǎn)動方向。start 鍵通過“與”門控制 pwm 的輸出， 實現(xiàn)對電機的工作停止控制。h 橋電路由大功率晶體管組成，pwm 波形通過方向控制送到 h 橋，經(jīng)功率放大以后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。3. pwm 模塊設計模塊設計 3.1 方案的設計方案的設計 pwm 控制電路由計數(shù)器、鋸齒波發(fā)生器及數(shù)字比較器組成，由此來實現(xiàn) pwm 的波形輸出。圖中的 decd 是一個轉(zhuǎn)速控制模塊，輸入端接按鍵，來選擇檔位的大??；其輸出的一端為檔位的

9、顯示，另一端接 cmp 比較器的輸入端。cnt8 是一個八位的二進制計數(shù)器，作為脈寬計數(shù)器。脈沖計數(shù)器在 clk5的激勵下輸出從 0 開始的逐漸增大的鋸齒波。將 decd 和 cnt8 的輸出端接到比較器 cmp 的輸入端。兩路數(shù)值同時加在數(shù)字比較器上，當脈寬計數(shù)器輸出值小于 decd 輸出的規(guī)定值時，比較器輸出低電平；當脈寬計數(shù)器輸出值大于decd 輸出的規(guī)定值時，比較器輸出高電平。改變 decd 的輸出值就等于改變pwm 的輸出信號的占空比，也等于改變了周期，這樣就實現(xiàn)了速度調(diào)控。 3.2 方案的實現(xiàn)方案的實現(xiàn) 3.3 方案的仿真方案的仿真 decd 的仿真如下：的仿真如下： cnt8 的

10、仿真如下：的仿真如下： cmp 的仿真如下：的仿真如下： 總體呈現(xiàn)仿真如下：總體呈現(xiàn)仿真如下： 如上圖所示：輸入端 d_stp 接按鍵 2 調(diào)節(jié)速度的大小，clk5 輸入的的信號，dled2.0顯示檔位的大小，0 到 4 的五個檔位。其中，0 檔位表示停止轉(zhuǎn)動，1、2、3、4 檔位依次增大。4. 正反轉(zhuǎn)模塊設計正反轉(zhuǎn)模塊設計4.1 方案的設計方案的設計 該模塊利用兩個二選一選擇器來控制正反轉(zhuǎn)。 當輸入為 1 時，兩個 mux21 都選 a，但下面那個 mux21 的 a 卻是接地的，因此只有上面的 mux21 輸出，此時為正轉(zhuǎn)；而轉(zhuǎn)速由上面的比較器輸出信號控制。 當輸入為 0 時，兩個 mux

11、21 都選 b，但上面那個 b 缺失卻是接地的，因此只有下面的 mux21 輸出，此時為反轉(zhuǎn)；而轉(zhuǎn)速由上面的比較器輸出信號控制。 z/f 鍵控制選擇 pwm 波形從正端 z 進入 h 橋，還是從負端 f 進入 h 橋，以控制電機的轉(zhuǎn)向。按鍵 1 控制正反轉(zhuǎn)。4.2 方案的實現(xiàn)方案的實現(xiàn)4.3 方案的仿真方案的仿真由此圖可以看出，由 cmp 引出的輸出端作為正反轉(zhuǎn)的輸入端和連接硬件按鍵 1 的 z/f 可以控制電機的正反轉(zhuǎn)。五去抖動模塊五去抖動模塊 5.1 方案的設計方案的設計去抖動電路采用兩個d觸發(fā)器和相應的門電路來實現(xiàn)。去抖動電路的濾波時鐘選擇為1024hz。兩個d觸發(fā)器進行級聯(lián)連接，經(jīng)觸發(fā)

12、器產(chǎn)生q1和q2兩個信號。那么去抖動電路即為q1的非與q2經(jīng)過一個與門來實現(xiàn)。5.2方案的實現(xiàn)方案的實現(xiàn)5.3方案的仿真方案的仿真六六. 顯示模塊顯示模塊 6.1 方案的設計方案的設計 此部分分為兩個顯示模塊，一個是檔位的顯示，另一個是轉(zhuǎn)速的顯示。 電機檔位顯示模塊采用 dled2.0的 3 位 2 進制來顯示檔位。其檔位顯示在數(shù)碼管 8 中。 轉(zhuǎn)速的顯示是由一個頻率器組成，一個輸入端接去抖動電路的輸出端，另一輸入端接 clk0?？梢酝ㄟ^數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管 1 和數(shù)碼管2 中。 6.2 方案的實現(xiàn)方案的實現(xiàn)檔位顯示： 轉(zhuǎn)速顯示： 6.3 方案的仿真方案的仿真由上圖可知，頻率計來

13、顯示速度的大小，d_out0 接數(shù)碼管 1，顯示轉(zhuǎn)速的個位；d_out1 接數(shù)碼管 2，顯示轉(zhuǎn)速的十位。七總結七總結7.1 功能驗證功能驗證 通過把設計完成的工程下載到 gw48-sopc 實驗箱中 fpga 芯片上對設計所要求達到的功能進行驗證，通過驗證本次設計只能夠完成直流電機速度顯示、正反轉(zhuǎn)、調(diào)檔、去抖動等功能，但是由于能力和時間的原因沒有實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制，沒有達到旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)設置的要求。 7.2 性能測試性能測試 速度測試：最高速度 62 轉(zhuǎn)/s，最低速度 20 轉(zhuǎn)/s。 調(diào)速測試：將速度分為 5 檔-0、1、2、3、4。0 檔表示停止轉(zhuǎn)動，1、2、3、4 轉(zhuǎn)速依次遞增。 正反轉(zhuǎn)

14、測試：當按下按鍵 1 時，發(fā)光二級管亮，即正轉(zhuǎn)；再按一下則反轉(zhuǎn)。7.3 誤差分析誤差分析 本次設計在硬件驗證這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)一定的誤差，這包括兩方面的產(chǎn)生一是設計本身產(chǎn)生的，二是實驗系統(tǒng)造成的。 設計誤差分析 由于本身的能力以及在設計中的邏輯分析中有一定的失誤，以及設計的過程中一些能夠影響到最終結果的因素沒有考慮到造成在硬件驗證這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)一定的誤差。 系統(tǒng)誤差分析 本次設計中速度測試傳感模塊由于碼盤自身的老化問題最終將導致速度測試的不準確性，其次就是示波器測試額定轉(zhuǎn)速過程中由于與硬件信號輸出端連線存在一定的問題，再者就是實驗系統(tǒng)的實驗箱有一定的老化及內(nèi)外部接線的不穩(wěn)定性導致的問題，在實驗的過程中

15、換了幾次實驗箱才找到一個合適的。7.4 整體仿真整體仿真7.5 心得體會心得體會 兩周的課程設計使自己真的收獲許多，不單單是對知識的理解更是深一步的實際應用。把枯燥的課本知識怎么融合在實際的操作之中。 在進實驗室之前，從網(wǎng)上找了許多有關直流電機設計的文檔，結合著課本及實驗指導書慢慢的理解這個題目。覺得也沒什么的難的，就是幾個功能模塊的實現(xiàn)，然后組合在一起就可以實現(xiàn)題目的要求。但真進到實驗室之后，按照之前的想法操作后才知道并沒有那么簡單，并不是簡簡單單的模塊組合，必須是按照要求進一步的深化，明確理解各個模塊之間的關系，以此更詳盡的去設計各個模塊的功能。不要急于去實現(xiàn)所有的功能，應該一個一個的來，

16、盡量詳細的描述模塊的作用，這樣才能保證在最后的工程中哪出錯可以直接去修改。通過這次課程設計對直流電機的工作原理及相關的控制原理有了進一步的了解，認識到自己所學知識的不足，以及所學知識在實際中的具體應用，進一步加深對所學知識的理解。在這次課程設計中遇到了眾多的難題，有好多由于自己對所學知識不太透徹導致設計中遇到好多問題自己無法解決，最后還是在向同學尋求幫助才能夠具體的實現(xiàn)其整體功能中的部分。如：直流電機的速度、轉(zhuǎn)向控制、檔位選擇、消抖動等功能，另外的一些功能如：閉環(huán)控制、速度預設由于能力和時間的原因沒有完全的實現(xiàn)，成為本次設計的一大遺憾。在具體到每一個模塊的設計中，可能是由于在這方面的知識不足吧

17、，并不是很順利，例如在最開始的直流電動機的檔位顯示，最初想的是有一個可以直接暫停開始的復位鍵 start，但在程序中并沒有直接編寫，所以又將最初設計的四個檔位改為含有停止轉(zhuǎn)動的 0 檔位的五個檔位，最后采用 dled2.0的 3位 2 進制來顯示檔位。雖說本次設計由于自己能力有限沒有完成所有的功能但是由于是自己親身參與，其中滋味只有自己知道，通過這次設計不但對自己所學知識有了更清楚的認識同時也為今后的工作學習有很大的促進作用，做任何事都要與其他人進行交流，通過不斷的交流來完善自己的思想，最后達到自己的目的。八參考文獻八參考文獻何小艇 電子系統(tǒng)設計 浙江大學出版社 2008.1潘松 黃繼業(yè) ed

18、a 技術實用教程 科學出版社 2006.10齊晶晶 現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計實驗指導書 電工電子實驗教學中心 2009.89附錄附錄 9.1 程序：程序：數(shù)字比較器數(shù)字比較器 cmp：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cmp isport(a:in std_logic_vector(7 downto 0);b:in std_logic_vector(7 downto 0);agb:out std_logic);end cmp;architecture c of cmp isbe

19、ginprocess(a,b)beginif b=a thenagba thenagb=0;end if;end process;end;八位二進制計數(shù)器八位二進制計數(shù)器 cnt8：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt8 isport(clk:in std_logic;aa:out std_logic_vector(7 downto 0);end cnt8;architecture fre of cnt8 issignal cnt:std_logic_vector(

20、7 downto 0);beginprocess(clk)beginif clkevent and clk =1 then cnt=cnt+1;end if;end process;aadddddnull;end case;end process;process(clk)beginif clkevent and clk=1 thenif cq=100then cq=000;else cq=cq+1;end if;end if;end process;dspy=cq;end;頻率計頻率計 fre_cnt10：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use

21、 ieee.std_logic_unsigned.all;entity fre_cnt10 isport(clk_1hz:in std_logic;freq:in std_logic;d_out0:out std_logic_vector(3 downto 0);d_out1:out std_logic_vector(3 downto 0);end fre_cnt10;architecture fre of fre_cnt10 issignal clk_2hz:std_logic;signal clr,load,c_en:std_logic;signal cnt0,cnt1:std_logic_vector(3 downto 0);beginprocess(clk_1hz,clk_2h