基于FPGA的直流電機綜合測控系統(tǒng)設(shè)計

1、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計論文（EDA技術(shù)課程答辯2013秋）題 目基于FPGA的直流電機綜合測控系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院電子信息學(xué)院專 業(yè)電子信息工程班 級12047514學(xué) 號12041419,12041422學(xué)生姓名林華，馬浩杰指導(dǎo)教師黃繼業(yè)完成日期2013年12月摘要當今，在各行業(yè)中自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了較為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，而在現(xiàn)在的規(guī)?；a(chǎn)中，電器傳動技術(shù)以直流驅(qū)動控制技術(shù)為主流有著重要作用。一直以來，因直流電動機其轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)上比較靈活，調(diào)節(jié)方法簡單，大范圍的平滑調(diào)速較容易，控制方面性能更好等特點，所以在傳動領(lǐng)域中擁有不可動搖的地位。它在工業(yè)機器人、數(shù)控機床、等工廠設(shè)備自動化中得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代化的

2、生產(chǎn)中，隨著規(guī)模的不斷擴大，各行各業(yè)對直流電機在技術(shù)上和數(shù)量上的需求也越來越大，并在性能上要求也更高。因此，研究出高可靠性、高性能的直流電機控制系統(tǒng)，并且制造出高水平的系統(tǒng)就有著非?，F(xiàn)實和重要的意義。關(guān)鍵詞：FPGA；Verilog；EDA；PWM調(diào)速摘要一、 引言1. 本課題研究背景2. 本課題的主要研究內(nèi)容及意義二、 整體設(shè)計1. 功能要求2. 功能模塊設(shè)計2.1. PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生模塊2.2. 工作時鐘發(fā)生器模塊2.3. 消抖動模塊ERZP2.4. 轉(zhuǎn)向控制多路選擇器模塊 2.5. 8位寄存器模塊2.6. 7段譯碼模塊三、直流電機驅(qū)動控制電路頂層設(shè)計四、總結(jié)五、參考文獻1、 引言1

3、. 本課題研究背景電機作為機電能的轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍己遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，電機的控制技術(shù)也得到了進一步的發(fā)展，電機應(yīng)用已由過去簡單的起?？刂啤⑻峁﹦恿槟康膽?yīng)用，上升到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進行精確的控制，使被驅(qū)動的機械運動符合預(yù)想的要求。采用功率器件進行控制，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，這種新型控制技術(shù)己經(jīng)不是傳統(tǒng)的“ 電機控制”、“電氣傳動” 而是“運動控制”。運動控制使被控機械運動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。2. 本課題的主要研究內(nèi)容及意義本課

4、題是以FPGA為控制核心，實現(xiàn)對直流電機的轉(zhuǎn)速測量和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，為進一步研究和優(yōu)化直流電機控制方法提供基礎(chǔ)。設(shè)計直流電機控制系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮電機的特性，通過本課題，一方面訓(xùn)練我們在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解FPGA控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實現(xiàn)；另一方面通過本次設(shè)計，設(shè)計出相應(yīng)的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的測量和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并以此培養(yǎng)自己的自學(xué)和動手能力，從而今后參加工作或進一步深造打下良好的基礎(chǔ)。2、 整體設(shè)計1. 功能要求能利用FPGA控制直流電機PWM，對直流電機進行速度控制，旋轉(zhuǎn)方向控制，變速控制。2. 功能模塊設(shè)計2.1. PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生模塊此模塊是FPGA

5、中的PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生電路。它的輸出接電機轉(zhuǎn)向控制電路模塊，此模塊輸出的兩個端口接電機，通過控制SL端（鍵K1），可以改變電機轉(zhuǎn)向。它的輸入端之一來自模塊CNT8B。這是一個8位計數(shù)器，輸出的數(shù)據(jù)相當于鋸齒波信號，此信號的頻率就是輸出PWM波的頻率。本模塊的另一端來自鍵控的8位數(shù)據(jù)，其中低四位設(shè)定為1111，高四位由計數(shù)器CNT4B產(chǎn)生，計數(shù)器的時鐘來自鍵K8。于是可以通過手動按鍵控制電機的轉(zhuǎn)速。module SQU1(cin,adr,ot);input 7:0 cin,adr;output ot;reg ot;always (cin) begin if(adr< cin) ot&l

6、t;=1'b0; else ot<=1'b1; endendmodule2.2. 工作時鐘發(fā)生器模塊主要由鎖相環(huán)PLL20擔任。其輸入頻率是20MHz；輸出兩個頻率：C0=4096Hz,C1=5MHz.2.3. 消抖動模塊ERZPmodule ERZP(clk,KIN,kout);input clk,KIN;output kout;reg a,b,c;assign kout=(a|b|c);always (posedge clk) begin a<=KIN; b<=a; c<=b; endendmodule2.4. 轉(zhuǎn)向控制多路選擇器模塊module S

7、LT(SL,M,m0,m1);input SL,M;output m0,m1;reg m0,m1;always (SL) case (SL) 1'b1:begin m0<=M; m1<=1'b0;end 1'b0:begin m0<=1'b0; m1<=M;end default: begin m0<=M; m1<=1'b0;end endcaseendmodule 2.5. 8位寄存器模塊module lock (d,clk,rst,Q);input clk,rst;input 7:0 d;output 7:0 Q;

8、reg 7:0 Q;always (posedge clk) if(rst) Q=0; else begin if(clk) begin Q3:0 <= d3:0; Q7:4 <= d7:4; end end endmodule2.6. 7段譯碼模塊module DECL7S(A,LED7);input 3:0 A;output 6:0 LED7;reg 6:0 LED7;always (A)case(A) 4'b0000:LED7<=7'b0111111;/04'b0001:LED7<=7'b0000110;/14'b0010:

9、LED7<=7'b1011011;/24'b0011:LED7<=7'b1001111;/34'b0100:LED7<=7'b1100110;/44'b0101:LED7<=7'b1101101;/54'b0110:LED7<=7'b1111101;/64'b0111:LED7<=7'b0000111;/74'b1000:LED7<=7'b1111111;/84'b1001:LED7<=7'b1101111;/9default:

10、LED7<=7'b0000000;endcaseendmodule3、 直流電機驅(qū)動控制電路頂層設(shè)計4、 本文在Quartus II軟件平臺上實現(xiàn)了基于 VHDL 直流電機速度控制系統(tǒng)的研究設(shè)計。設(shè)計期間主要完成了以下工作： 1.Quartus II軟件平臺的應(yīng)用。掌握了基于VHDL 語言設(shè)計的基本流程和設(shè)計輸入，設(shè)計編譯，功能確認，延時確認，設(shè)計仿真等模塊的應(yīng)用。通過應(yīng)用使我對VHDL 語言深入的了解，可以熟練地使用Quartus II平臺進行編程和其他應(yīng)用。 2.基于VHDL 的直流電機速度控制系統(tǒng)的理論及其軟件仿真，本直流電機速度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能： （1）用戶可自行設(shè)定電機的目標速度、速度臨界差值。 （2）系統(tǒng)通過用戶設(shè)定可以自動進行調(diào)速，達到用戶指定速度要求。 本文提出的基于VHDL 的PWM 實現(xiàn)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。但是在此設(shè)計研究過程中，有以下幾點不足：基于VHDL 的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、增加PWM 的精度、將