FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）題 目： FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 （Title）： Application of FPGA in the DC Motor Speed Control 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 自 動(dòng) 化 姓 名： 賴 錦 昌 學(xué) 號： 2009020243157 指導(dǎo)教師： 陳 朝 大 日 期： 2013年5月 FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用摘要針對直流電機(jī)快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以FPGA芯片為中央處理核心，以L298N驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，通過按鍵來控制直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)詳細(xì)地介紹了直流電機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理、PWM調(diào)速原理

2、以及FPGA集成芯片。并對直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)方案的組成、硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地控制直流電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)和加減速。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；FPGA；L298N；PWMThe FPGA in the Application of the DC Motor Speed ControlAbstractRapid development and widely used for dc motor, a dc motor speed control system is designed. The system uses FPGA chip as the central

3、 processing core, L298N driver chip to drive DC motors, through the pressed key to control dc motor running state. The design detailed description of the DC motor type, structure, working principle, PWM governor principles and FPGA chip. The design for the composition of dc motor PWM speed control s

4、ystem and hardware circuit design has made the detailed narration. Experimental results show that the control system can quickly and accurately control the DC motor to start, stop, forward, reverse, acceleration and deceleration.Key Words：DC motor; FPGA;L298N; PWM目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc

5、354845677 1、緒論 PAGEREF _Toc354845677 h 1 HYPERLINK l _Toc354845678 1.1課題研究的現(xiàn)狀及意義 PAGEREF _Toc354845678 h 1 HYPERLINK l _Toc354845679 1.2課題研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc354845679 h 1 HYPERLINK l _Toc354845680 2、設(shè)計(jì)總體方案選擇 PAGEREF _Toc354845680 h 2 HYPERLINK l _Toc354845681 2.1主控芯片方案選擇 PAGEREF _Toc354845681 h 2 H

6、YPERLINK l _Toc354845682 2.2驅(qū)動(dòng)芯片方案選擇 PAGEREF _Toc354845682 h 4 HYPERLINK l _Toc354845683 2.3鍵盤電路方案選擇 PAGEREF _Toc354845683 h 5 HYPERLINK l _Toc354845684 2.4直流電機(jī)調(diào)速方案選擇 PAGEREF _Toc354845684 h 6 HYPERLINK l _Toc354845685 3、直流電機(jī)介紹 PAGEREF _Toc354845685 h 7 HYPERLINK l _Toc354845686 3.1直流電機(jī)的特點(diǎn) PAGEREF _

7、Toc354845686 h 7 HYPERLINK l _Toc354845687 3.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc354845687 h 8 HYPERLINK l _Toc354845688 3.3直流電機(jī)的工作原理 PAGEREF _Toc354845688 h 10 HYPERLINK l _Toc354845689 3.4直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc354845689 h 10 HYPERLINK l _Toc354845690 4、硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc354845690 h 13 HYPERLINK l _Toc3548456

8、91 4.1整流穩(wěn)壓電路 PAGEREF _Toc354845691 h 13 HYPERLINK l _Toc354845692 4.2起振電路 PAGEREF _Toc354845692 h 14 HYPERLINK l _Toc354845693 4.3復(fù)位電路 PAGEREF _Toc354845693 h 15 HYPERLINK l _Toc354845694 4.4鍵盤電路 PAGEREF _Toc354845694 h 16 HYPERLINK l _Toc354845695 4.5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc354845695 h 17 HYPERLINK l

9、_Toc354845696 4.5總電路原理圖及實(shí)物圖 PAGEREF _Toc354845696 h 18 HYPERLINK l _Toc354845697 5、軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc354845697 h 20 HYPERLINK l _Toc354845698 5.1控制邏輯Verilog HDL描述 PAGEREF _Toc354845698 h 20 HYPERLINK l _Toc354845699 5.2 FPGA開發(fā)環(huán)境的介紹 PAGEREF _Toc354845699 h 22 HYPERLINK l _Toc354845700 5.3建立工程項(xiàng)目 PAGERE

10、F _Toc354845700 h 22 HYPERLINK l _Toc354845701 5.4直流電機(jī)控制仿真圖 PAGEREF _Toc354845701 h 25 HYPERLINK l _Toc354845702 5.5仿真圖分析 PAGEREF _Toc354845702 h 26 HYPERLINK l _Toc354845703 5.6總設(shè)計(jì)流程 PAGEREF _Toc354845703 h 28 HYPERLINK l _Toc354845704 6、實(shí)物調(diào)試 PAGEREF _Toc354845704 h 29 HYPERLINK l _Toc354845705 7、總

11、結(jié) PAGEREF _Toc354845705 h 29 HYPERLINK l _Toc354845706 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc354845706 h 31 HYPERLINK l _Toc354845707 致謝 PAGEREF _Toc354845707 h 32 HYPERLINK l _Toc354845708 附錄 PAGEREF _Toc354845708 h 331、緒論1.1課題研究的現(xiàn)狀及意義電機(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(yùn)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)

12、，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(shí)，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(shí)代的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展，特別是EDA技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。直流電機(jī)有許多有優(yōu)點(diǎn)，如速度容易控制，精度高，效率高等，能在交款的范圍內(nèi)調(diào)速，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。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。在國外，PWM源于上世紀(jì)九十年代，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)。在國內(nèi)PWM有理論基礎(chǔ)逐漸成

13、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，所以PWM電機(jī)調(diào)速方案是未來電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的首選方案，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)拖動(dòng)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。PWM調(diào)速有兩種模式：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，F(xiàn)PGA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(diǎn)廣泛的被人們使用，應(yīng)而研究FPGA具有十分重要的意義。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要趨勢。采用FPGA控制后,整個(gè)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

14、,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平,各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足高性能電氣傳動(dòng)的要求。由于FPGA的外部連線少,電路簡單,便于控制,具有較佳的性能價(jià)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。1.2課題研究的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)提出基于FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用，主要分析直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、工作原理、調(diào)速原理以及正/反轉(zhuǎn)、啟/停原理。通過對直流電機(jī)控制的研究，掌握基于FPGA的直流電機(jī)PWM控制原理，學(xué)會應(yīng)用Verilog HDL語言進(jìn)行編程；通過對本課題的研究,掌握EDA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(shí)際的學(xué)風(fēng)。熟悉現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框圖如圖1.

15、1所示。FPGA（CPU）鍵盤電路起振電路驅(qū)動(dòng)電路路復(fù)位電路直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)圖1.1 總體框圖2、設(shè)計(jì)總體方案選擇2.1主控芯片方案選擇51單片機(jī)I/O口有限，而FPGA的I/O多,可以方便連接外設(shè)。比如一個(gè)系統(tǒng)有多路AD、DA，51單片機(jī)要進(jìn)行仔細(xì)的資源分配，總線隔離，而FPGA由于豐富的I/O資源,可以很容易用不同I/O資源連接各外設(shè)。51單片機(jī)程序是串行執(zhí)行的，執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條，在處理突發(fā)事件時(shí)只能夠調(diào)用有限的中斷資源；而FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行,可以同時(shí)處理不同任務(wù)，這就導(dǎo)致了FPGA的工作效率更高。FPGA內(nèi)部集成鎖項(xiàng)環(huán),可以把外部時(shí)鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M(fèi),而51

16、單片機(jī)運(yùn)行速度低的多，在高速場合，51單片機(jī)無法代替FPGA。FPGA甚至包含51單片機(jī)和DSP軟核,并且I/O數(shù)僅受FPGA自身I/O限制，所以，F(xiàn)PGA又是51單片機(jī)和DSP的超集，也就是說，51單片機(jī)和DSP能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA都可以實(shí)現(xiàn)。與51單片機(jī)相比，F(xiàn)PGA運(yùn)行速度快；管腳多，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)；內(nèi)部程序并行運(yùn)行，有處理更復(fù)雜功能的能力；擁有大量軟核，可以方便二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。因此采用FPGA來作為主控芯片。設(shè)計(jì)選用的芯片是Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N芯片如圖3.1所示。圖2.1 主控芯片MAX II器件系列簡介Altera公司最新的MAX II

17、系列，有史以來成本最低的CPLD，結(jié)合了FPGA和CPLD的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了4輸入LUT體系結(jié)構(gòu)的性能和密度優(yōu)勢，并且具有性價(jià)比較高的非易失性特性。用戶可以利用MAX II CPLD將大量控制邏輯集成在單個(gè)器件中，從而降低了系統(tǒng)成本。MAX II器件系列是一種非易失性、即用性可編程邏輯系列，它采用了一種突破性的新型CPLD架構(gòu)。這種新型架構(gòu)的成本是原先MAX II器件的一半，功耗是其十分之一，密度是其四倍，性能卻是其兩倍。這些超級性能是在提供了所有MAX系列CPLD先進(jìn)特性的架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Altera專家們的意見而重新采用基于查找表的架構(gòu)而得到的。這種基于查找表的架構(gòu)在最小的I/O焊盤約束

18、的空間內(nèi)提供了最多的邏輯容量。因此，MAX II CPLD是所有CPLD系列產(chǎn)品中成本最低、功耗最小和密度最高的器件?；诔杀緝?yōu)化的0.18微米6層金屬Flash工藝，MAX II器件系列具有CPLD所有的優(yōu)點(diǎn)，例如非易失性、即用性、易用性和快速傳輸延時(shí)性。以滿足通用性，低密度邏輯應(yīng)用為目標(biāo)，MAX II器件成為接口橋接、I/O擴(kuò)展、器件配置和上電順序等應(yīng)用最理想的解決方案。除這些典型的CPLD應(yīng)用之外，MAX II器件還能滿足大量從前在FPGA、ASSP和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件中實(shí)現(xiàn)的低密度可編程邏輯需求。MAX II器件提供的密度范圍從240到2210個(gè)邏輯單元（LE），最多達(dá)272個(gè)用戶I/O管腳

19、。主芯片采用ALTERA MAX II系列的EPM240T100C5N(相當(dāng)于8650門CPLD，容量是以前的EPM7128的兩倍，并且可以燒寫至少10萬次以上)。MAX II CPLD體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中單位I/O成本最低，功耗最低。MAX II運(yùn)用了低功耗的工藝技術(shù)，和前一代MAX器件相比，成本降低了一半，功率降至十分之一，容量增加了四倍，性能增加了兩倍。標(biāo)準(zhǔn)JTAG下載口，防反插設(shè)計(jì)?？山覤yteBlasterII和USB-Blaster下載電纜。EPM240T100C5N的芯片參數(shù)：宏單元數(shù):192，輸入/輸出線數(shù):80，傳播延遲時(shí)間:5.9ns，整體時(shí)鐘設(shè)定時(shí)間:2.7ns

20、，頻率:201.1MHz，電源電壓范圍:2.375V to 2.625V, 3V to 3.6V，工作溫度范圍:0C to +85C ，針腳數(shù):100，封裝類型:TQFP，工作溫度最低:0C，工作溫度最高:85C，邏輯芯片功能:CPLD,邏輯芯片基本號:EPM240T，可編程邏輯類型:CPLD ，輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn):LVTTL, LVCMOS, PCI。2.2驅(qū)動(dòng)芯片方案選擇我們常用到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有ULN2003和L298N所示這兩款芯片。ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片如圖3.2所示是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 輸入5V TTL

21、電平，輸出可達(dá)500mA/50V。它還是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成并是一個(gè)非門電路，包含7個(gè)單元，但獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA。其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。經(jīng)常在電路中使用作為顯示驅(qū)動(dòng)，繼電器驅(qū)動(dòng)，照明燈驅(qū)動(dòng)，電磁閥驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等。圖3.2 ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片L298N如圖3.3是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率

22、25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺直流電機(jī)。其特點(diǎn)具有信號指示，轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，PWM脈寬平滑調(diào)速等等。圖3.3 L298N驅(qū)動(dòng)芯片與ULN2003芯片相比，L298N芯片內(nèi)就集成有兩個(gè)H橋型電路，可直接實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制

23、。而ULN2003芯片內(nèi)沒有集成H橋型電路，驅(qū)動(dòng)能力較弱，oc門輸出高電平時(shí)，要上拉?；贚298N還具有具有過電壓和過電流保護(hù)并且還可以實(shí)現(xiàn)PWM脈寬平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇L298N作為設(shè)計(jì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。2.3鍵盤電路方案選擇鍵盤（如圖3.4所示）電路有兩種類型，分別是獨(dú)立式鍵盤電路和矩陣式鍵盤電路。 圖a 獨(dú)立鍵盤 圖b 矩陣式鍵盤圖3.4 鍵盤獨(dú)立式鍵盤電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，在目前這種結(jié)構(gòu)的鍵盤應(yīng)用還非常普遍。只是這種鍵盤電路的每個(gè)按鍵都要占用一根I/O口線，并且每個(gè)按鍵的工作都不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。但隨著按鍵的增加將會使I/O口線不足。因此，這種鍵盤電路只有在按鍵比較

24、少的情況下比較適用。矩陣式鍵盤電路的按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，連接方法有多種，可直接連接于主控芯片的I/O口線，也可利用擴(kuò)展的并行I/O口連接，還可利用可編程的鍵盤、顯示接口芯片進(jìn)行連接。因此在有限的I/O口線上可以設(shè)置比較多的按鍵。只是這種鍵盤電路結(jié)構(gòu)、編程都比較復(fù)雜。設(shè)計(jì)用到的按鍵并不多，只要5個(gè)按鍵就可以了，這些按鍵用來分別控制電機(jī)的啟動(dòng)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速和減速。故設(shè)計(jì)的鍵盤電路選用獨(dú)立式鍵盤。2.4直流電機(jī)調(diào)速方案選擇直流電機(jī)的調(diào)速方法有：電樞回路串電阻調(diào)速，降低電源電壓調(diào)速，減弱磁通調(diào)速和PWM調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速的特點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作方便，但調(diào)速的平滑性差，靜差率大

25、，調(diào)速范圍小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差，而且轉(zhuǎn)速越低，所串電阻越大，損耗越大，效率越低，故現(xiàn)在已極少采用。降低電源電壓調(diào)速的特點(diǎn)：電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速前后機(jī)械特性的斜率不變，硬度較高。負(fù)載變化時(shí)，速度穩(wěn)定性好，電能的損耗較小，但是需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源。減弱磁通調(diào)速的特點(diǎn)：由于在電流較小的勵(lì)磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，而且調(diào)速平滑性好，經(jīng)濟(jì)性較好，但是機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟，轉(zhuǎn)速的升高受到電機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，因此升速范圍不可能很大。PWM調(diào)速就是所謂的脈沖寬度調(diào)制，是指用改變電機(jī)電樞電壓接通與斷開的時(shí)間的的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)

26、速的方法。設(shè)計(jì)主要是利用PWM調(diào)速的方法來控制直流電機(jī)的速度，其調(diào)速原理是，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)

27、字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM調(diào)速的方法又有幾種，其中主要調(diào)速方法有兩種，分別是改變驅(qū)動(dòng)芯片使能端的電平和改變驅(qū)動(dòng)芯片輸入端的電平來改變占空比，以此來改變直流電機(jī)的運(yùn)行速度。如果通過改變輸入端的電平來調(diào)速，需要設(shè)置兩個(gè)輸入端口作為PWM端口，并且要分別對兩個(gè)端口進(jìn)行電平的調(diào)節(jié)才能達(dá)到調(diào)速的目的。而通過改變使能端的電平來調(diào)速，只需設(shè)置該使

28、能端作為PWM端口就行了，并且只對這個(gè)使能端口進(jìn)行電平調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從而在降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，簡化了程序。因此，設(shè)計(jì)的PWM調(diào)速是采用通過改變驅(qū)動(dòng)芯片使能端電平來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。3、直流電機(jī)介紹3.1直流電機(jī)的特點(diǎn)圖3.1 直流電機(jī)圖直流電機(jī)（如圖2.1）具有良好的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能，具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。但直流電機(jī)也有它顯著的缺點(diǎn)：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運(yùn)行的時(shí)候由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，所以可靠性比較差，維護(hù)比較困難。所以

29、在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用目前仍然占有較大的比重。3.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間存在一個(gè)間隙，稱做氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場和支撐電機(jī)，它主要包括主磁極、換向磁極、機(jī)座、電刷裝置、端蓋等。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，通常也稱做電樞。它主要包括電樞鐵心、電樞繞組以及換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等。其原理圖如圖2.2所示 圖3.2 直流電機(jī)原理圖3.2.1定子部分定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極和電刷裝置等

30、。1、機(jī)座機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為電機(jī)磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機(jī)械支承的作用。因此要求機(jī)座有好的導(dǎo)磁性能及足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛座，機(jī)座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。2、主磁極在大多數(shù)直流電機(jī)中，主磁極是電磁鐵，如圖2.1的N、S就是主磁極，主磁極鐵芯用11.5mm厚的低碳鋼板疊加而成，整個(gè)磁級用螺釘固定在機(jī)座上。主磁極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場，使電樞繞組在此磁場的作用下感應(yīng)電動(dòng)勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。3、換向極換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。換向極裝在相鄰兩主磁極N、S之間，由鐵心和繞組構(gòu)成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。

31、4、電刷裝置在圖2.2中，A、B表示電刷。它的作用是把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。3.2.2轉(zhuǎn)子部分直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、軸和軸承等。1、電樞鐵芯電樞鐵芯是電機(jī)主磁路的一部分，且用來嵌放電樞繞組。為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵芯中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊加而成。2、電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電動(dòng)勢，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用包有絕緣的導(dǎo)線繞制而成，嵌放在電樞槽中。每個(gè)線

32、圈（也稱元件）有兩個(gè)出線端，分別接到換向器的兩個(gè)換向片上。所有線圈按一定規(guī)律連接成一閉合回路。3、換向器換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流電動(dòng)機(jī)中，它將電刷上的直流電流轉(zhuǎn)換成繞組內(nèi)的交流電流；在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交流電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換成電刷端上的直流電動(dòng)勢。換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。換向片數(shù)與線圈元件數(shù)相同。3.3直流電機(jī)的工作原理直流電機(jī)的工作原理建立在電磁力和電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，把電刷A、B接到一直流電源上，電刷A接到電源正極，電刷B接電源的負(fù)極，此時(shí)在線圈abcd中將有電流流過。在N極范圍內(nèi)的導(dǎo)體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體cd中的電流是從c流向d。因?yàn)檩d

33、流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導(dǎo)體都要受到電磁力F的作用。根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時(shí)，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過半周之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab

34、邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，分別處在N、S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個(gè)邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，這就是直流電機(jī)的工作原理。3.4直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為了使電機(jī)安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運(yùn)行性能，電機(jī)廠家根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對每臺電機(jī)在運(yùn)行中的電壓，電流，功率，轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值就是直流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，直流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是指電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的速度n； n =（Ua-IR）/Ce （2.1）式2.1中Ua為電樞電動(dòng)勢，Ce為

35、電動(dòng)勢常數(shù)，是磁通量。額定功率（容量）PN，是指電刷輸出的電功率，單位為kW； PN=UNIN （2.2）式2.2中，額定電壓UN，指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，單位為V；額定電流IN，指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，單位為A；額定轉(zhuǎn)速N，指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； N =PN/UNIN （2.3）實(shí)際中，直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)近年來發(fā)展很快，直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)采用全控型電力電子器件，調(diào)制頻率高，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)相比動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)脈動(dòng)小，有很大的優(yōu)越性，因此在小功率調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。本系統(tǒng)主要介紹雙極式直流PWM-M可

36、逆調(diào)速系統(tǒng)。它在原來直流PWM-M的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR，ASR和ACR都采用帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器參數(shù)取值見表3.1。仿真模型如圖3.3所示表3.1 直流PWM可逆系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)參數(shù)ASRACR放大倍數(shù)積分時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)器輸出限幅轉(zhuǎn)速反饋數(shù)電流反饋系數(shù)圖3.3 直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型仿真結(jié)果如圖3.4所示，從圖中可以看到系統(tǒng)從正轉(zhuǎn)起動(dòng)至反轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速（見圖3.4a）和電樞電流（見圖3.4b）對轉(zhuǎn)速給定的響應(yīng)波形。在仿真中取電流過載倍數(shù)，因此電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)起動(dòng)和制動(dòng)、反轉(zhuǎn)起動(dòng)過程中始終保持著最大電流12A左右。在正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值2400

37、r/min后，電流下降4A左右。圖3.4c為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出，即電流的給定信號，圖3.4d電流調(diào)節(jié)器的輸出信號Uct。 圖3.4a 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 圖3.4b 電動(dòng)機(jī)電樞電流 圖3.4c 電流給定 圖3.4d 電流調(diào)節(jié)器輸出圖3.4 直流PWM可逆系統(tǒng)仿真結(jié)果4、硬件電路設(shè)計(jì)4.1整流穩(wěn)壓電路圖4.1 整流穩(wěn)壓電路整流穩(wěn)壓電路（如圖4.1所示）是由二極管、電容、電阻和集成穩(wěn)壓器等電子元器件構(gòu)成。二極管是一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在其交界面兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)一存在外加電壓時(shí)，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差產(chǎn)生擴(kuò)散電流和自建電場所引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有

38、正向電壓偏置時(shí)，外界電場和自建電場的互相抑制作用使載流子的擴(kuò)散電流增大引起正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。當(dāng)外加的反向電壓調(diào)到一定程度時(shí)，PN結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值而產(chǎn)生載流子的倍增過程，進(jìn)而產(chǎn)生大量電子空對，由此產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流。二極管最重要的特性就是單向?qū)щ娦裕陔娐分?，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。電容是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量，是一種無源元件。應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲能作用。應(yīng)用于信號電路，主要完成耦合、振蕩、同步及時(shí)間常數(shù)的作用。本電路主要

39、介紹電容的濾波作用，從理論上說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成分，所經(jīng)頻率高了反而阻抗會增大。有時(shí)會看到電容量較大的電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過。電容濾波實(shí)際上就是電容的充電和放電過程。集成穩(wěn)壓器一般有三個(gè)端子：輸入端、輸出端和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載，公共端接輸入、輸出的公共連接點(diǎn)。其內(nèi)部由采、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整和保護(hù)等電路組成。保護(hù)電路具有過流、過熱及短路保護(hù)功能。整流穩(wěn)壓電路的主要功能是：輸入220V的交流電

40、通過變壓器變壓得到12V的交流電，12V的交流電通過四個(gè)整流二極管構(gòu)成橋式整流電路，輸出12V的直流電，但此時(shí)的直流還是含有交流成份，通過大電容濾波和小電容改善電壓波紋得到較好的12V直流電供給電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片L298N使用，12V直流電通過7805穩(wěn)壓器穩(wěn)壓和電容濾波得到5V的直流電供給驅(qū)動(dòng)芯片L298N的控制電壓Vss，5V直流電再通過穩(wěn)壓器ASM1117_3.3V穩(wěn)壓得到3.3V的直流電供給主控芯片正常工作。4.2起振電路起振電路（如圖4.2所示）主要由晶體振蕩器組成，簡稱晶振。在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分

41、其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 圖4.2 起振電路主控芯片系統(tǒng)里都有晶振，系統(tǒng)里晶振作用非常大，它的全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合主控芯片內(nèi)部電路產(chǎn)生所需的時(shí)鐘頻率，晶振

42、時(shí)鐘頻率越高，其運(yùn)行的速度就越快，比如 ，12M晶振，其工作速度就是每秒 12M。和電腦的 CPU概念一樣。主控芯片的一切指令的執(zhí)行都是建立在晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十，高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。因此晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保同步，有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)速頻率的方法保持同步。4.3復(fù)位電路復(fù)位電路（如圖4.3所示）主要有一個(gè)按鍵

43、開關(guān)和一個(gè)電阻構(gòu)成。在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論用戶使用哪種類型的主控芯片,總要涉及到復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。而復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。本設(shè)計(jì)主要通過手動(dòng)按鈕復(fù)位，把電平給拉低。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)“死機(jī)”、“程序跑飛”或“卡住”等等，按下復(fù)位按鈕可以使系統(tǒng)重新開始，回到最初的運(yùn)行的狀態(tài)。圖4.3 復(fù)位電路4.4鍵盤電路圖4.4 鍵盤電路本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路（如圖4.4所示）和時(shí)鐘電路，通過以按鍵的方式向FPGA控制系統(tǒng)表達(dá)人

44、的命令來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和加減速，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換。SW1是電機(jī)的開啟鍵或停止鍵，就是當(dāng)SW1鍵一開始按下，直流電機(jī)就開始啟動(dòng)工作，再按一次SW1鍵，直流電機(jī)就停止運(yùn)行。SW2鍵和SW3鍵分別是直流電機(jī)正轉(zhuǎn)鍵和反轉(zhuǎn)鍵。SW4鍵和SW5鍵分別是直流電機(jī)的加速鍵和減速鍵。例如，當(dāng)直流電機(jī)正在工作時(shí)，當(dāng)按下時(shí)SW4鍵時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會增加一點(diǎn)，每按一次SW4加速鍵，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速都會增加一點(diǎn)，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到最大為止。同理，在直流電機(jī)工作時(shí)，每按一次SW5減速鍵，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速都會減少點(diǎn)，一直到轉(zhuǎn)速減到零為止。在鍵盤電路設(shè)計(jì)中，需要解決按鍵抖動(dòng)的問題。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開關(guān)

45、，一個(gè)電信號通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間必然伴隨一連串的抖動(dòng)。為了排除抖動(dòng)的影響，在按鍵和輸出端并上一個(gè)電阻并把電拉高。4.5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路（如圖4.5所示）可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)的，由于本設(shè)計(jì)只用一個(gè)直流電機(jī)，所以就畫了一組。通過程序來控制輸入端in1、in2、EN_A的電平高低來控制輸出端out1和out2電平的變化來控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。圖4.5 驅(qū)動(dòng)電路由于驅(qū)動(dòng)芯片L298N內(nèi)部本身就集成了2個(gè)H型全橋驅(qū)動(dòng)電路來控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其H型全橋驅(qū)動(dòng)電路（如圖4.6）和工作原理如下：

46、圖4.6 H型全橋驅(qū)動(dòng)電路H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只三極管都工作在斬波狀態(tài)，Q1、Q4為一組，Q2、Q3為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)，Q2、Q3關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，Q1、Q4關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。在直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，我們要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在Q1、Q4導(dǎo)通且Q2、Q3關(guān)斷，到Q1、Q4關(guān)斷且Q2、Q3導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間換。L298N驅(qū)動(dòng)芯片對直流電機(jī)控制的邏輯真值表如表4.1所示：表4.1 L298N的邏輯真值表EN_Ain1

47、in2動(dòng)行狀態(tài)0XX停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止對于直流電機(jī)的加減速，設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)速。硬件電路上，本設(shè)計(jì)主控芯片第15腳，16腳和17腳的I/O口分別接到L298N驅(qū)動(dòng)芯片的in1，in2和EN_A中，通過改變主控芯片第15，16腳的I/O口上的高低電平變化以控制直流電機(jī)的方向，通過改變第17腳I/O口上的高低電平的占空比來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.5總電路原理圖及實(shí)物圖設(shè)計(jì)的總的電路原理圖和實(shí)物圖分別如圖4.7和圖4.8所示。圖4.7 原理圖圖4.8 實(shí)物圖5、軟件設(shè)計(jì) 5.1控制邏輯Verilog HDL描述硬件描述語言（HDL）是EDA技術(shù)的重要組成部分，常見的HDL主

48、要有VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、SystemVerilog和SystemC。其中VHDL、Verilog HDL在現(xiàn)在的EDA設(shè)計(jì)中使用最好，也獲得了幾乎所有主流EDA工具的支持。VHDL語言具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大簡化硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性。VHDL具有與具體硬件電路無關(guān)和與設(shè)計(jì)平臺無關(guān)的特性，并且具有良好的行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。用VHDL進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可以專心致力于其工能的實(shí)現(xiàn)，而不需要對不影響功能的、

49、與工藝有關(guān)的因素花費(fèi)過多的時(shí)間和精力。Verilog HDL是一種硬件描述語言，用于從算法級、門級到開頭的多種抽象設(shè)計(jì)層次的數(shù)字建模。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對象的復(fù)雜性可以介于簡單的門和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間。數(shù)字系統(tǒng)能夠按層次描述，并可在相同描述中顯示地進(jìn)行時(shí)序建模。其語言具有下述描述能力：設(shè)計(jì)的行為特性、設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流特性、設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)組成以及包含響應(yīng)監(jiān)控和設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面的時(shí)延和波形產(chǎn)生機(jī)制。所有這些都使用同一種建模語言。此外，其語言提供了編程語言接口，通過該接口可以在模擬、驗(yàn)證期間從事外部訪問設(shè)計(jì)，包括模擬的具體控制和運(yùn)行。Verilog HDL語言不僅定義了語法，而且對每個(gè)結(jié)構(gòu)都定義了清晰的模擬、

50、仿真語義。因此，用這種語言編寫的模型能夠使用Verilog仿真器進(jìn)行驗(yàn)證。Verilog HDL語言從C編程語言中繼承了多種操作符和結(jié)構(gòu)，其語言的核心子集非常易于學(xué)習(xí)和使用。與VHDL言語相比，Verilog HDL語言獲得了較多的第三方工具的支持，語法結(jié)構(gòu)比較簡單，學(xué)起來也比較容易，功能非常強(qiáng)大。因此使用此語言設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)是一種趨勢，大到復(fù)雜的CPU，小到一些簡單的邏輯門，并且它非常類似于C語言，非常靈活，易學(xué)易用。所以設(shè)計(jì)采用Verilog HDL作為編程的硬件語言。Verilog HDL硬件語言的主要功能如下：基本邏輯門，例如and 、or 和nand等都內(nèi)置在語言中；開關(guān)級基本結(jié)構(gòu)模型

51、，例如pmos和nmos等也被內(nèi)置在語言中；可采用三種不同方式或混合方式對設(shè)計(jì)建模。這些方式包括：行為描述方式使用過程化。 結(jié)構(gòu)建模；數(shù)據(jù)流方式使用連續(xù)賦值語句方式建模；結(jié)構(gòu)化方式使用門和模塊實(shí)例語句描述建模。Verilog HDL中有兩類數(shù)據(jù)類型：線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型和寄存器數(shù)據(jù)類型。線網(wǎng)類型表示構(gòu)件間的物理連線，而寄存器類型表示抽象的數(shù)據(jù)存儲元件。能夠描述層次設(shè)計(jì)，可使用模塊實(shí)例結(jié)構(gòu)描述任何層次。 設(shè)計(jì)的規(guī)?？梢允侨我獾?；語言不對設(shè)計(jì)的規(guī)模（大?。┦┘尤魏蜗拗啤erilog HDL不再是某些公司的專有語言而是I E E E標(biāo)準(zhǔn)。 人和機(jī)器都可閱讀Verilog語言，因此它可作為E D A 的工具

52、和設(shè)計(jì)者之間的交互語言。 設(shè)計(jì)能夠在多個(gè)層次上加以描述，從開關(guān)級、門級、寄存器傳送級（RTL）到算法級。 能夠使用內(nèi)置開關(guān)級原語在開關(guān)級對設(shè)計(jì)完整建模。 同一語言可用于生成模擬激勵(lì)和指定測試的驗(yàn)證約束條件，例如輸入值的指定。 Verilog HDL 能夠監(jiān)控模擬驗(yàn)證的執(zhí)行，即模擬驗(yàn)證執(zhí)行過程中設(shè)計(jì)的值能夠被監(jiān)控和顯示。這些值也能夠用于與期望值比較，在不匹配的情況下，打印報(bào)告消息。 在行為級描述中，Verilog HDL不僅能夠在RTL級上進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，而且能夠在體系結(jié)構(gòu)級描述及其算法級行為上進(jìn)行設(shè)計(jì)描述。 還能夠使用門和模塊實(shí)例化語句在結(jié)構(gòu)級進(jìn)行結(jié)構(gòu)描述。 對高級編程語言結(jié)構(gòu)，例如條件語句、情

53、況語句和循環(huán)語句，語言中都可以使用。5.2 FPGA開發(fā)環(huán)境的介紹Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境。Altera是世界上最大的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。Quartus II在21世紀(jì)初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境MAX+plus II的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II上可以完成設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的整個(gè)流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、綜合、適配和器件編程。Altera的Quartus II設(shè)計(jì)工具完全支持VHDL和Verilog HDL，其內(nèi)部嵌有VHDL、Verilog

54、HDL邏輯綜合器。FPGA的開發(fā)流程如圖5.1所示。設(shè)計(jì)輸入綜合適配時(shí)序分析仿真約束下載 圖5.1 FPGA開發(fā)流程圖5.3建立工程項(xiàng)目本設(shè)計(jì)主要用到Quartus II軟件進(jìn)行編程、仿真和下載。通過仿真，能迅速定位電路系統(tǒng)的錯(cuò)誤所在，并隨時(shí)糾正。能對設(shè)計(jì)方案作隨時(shí)更改，并儲存設(shè)計(jì)過程中所有電路和測試文件。將不會有任何器件損壞和損耗，符合現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范。下面介紹基本的設(shè)計(jì)步驟：（1）雙擊桌面上的Quartus II圖標(biāo)，打開Quartus II軟件。也可以通過“開始程序AlteraQuartus II”打開。（2）選擇“FileNew Project Wizard.”打開對話框后，在對話

55、框中選擇“Next” 。（3）單擊“Next”選擇編輯工程位置、工程名稱和頂層模塊名稱，見圖5.2圖5.2 選擇編輯工程（4）連續(xù)單擊兩次“Next”選擇器件類型，界面見圖5.3圖5.3選擇器件類型（5）選擇好器件，繼續(xù)單擊“Next”后出現(xiàn)項(xiàng)目匯總信息，然后點(diǎn)擊Finish。（6）選擇“FileNew”打開新建文件類型選擇窗口，選擇編程語言Verilog HDL File界面見圖5.4圖5.4 選擇編程語言（7）單擊“OK”，至此，工程項(xiàng)目才算是完全建好，我們可以在新建的工程上編寫程序，仿真和下載程序。但有一點(diǎn)要非常注意，在寫編寫程序的過程中，module后面所定義的文件一定要保持與之前新建

56、的文件名一致，否則在編譯的過程中會出現(xiàn)錯(cuò)誤。除此之外，還可以在此軟件上建模，選擇“FileNew”打開新建文件類型選擇窗口，選擇Block Symbol File進(jìn)行建模，界面見圖5.5圖5.5 選擇建模5.4直流電機(jī)控制仿真圖在編寫程序，設(shè)計(jì)設(shè)置了7個(gè)輸入端口和3個(gè)輸出端口。7個(gè)輸入端口中包括1個(gè)固定脈沖輸入和6個(gè)按鍵輸入rst,start,zheng,fan,jia,jian。分別代表復(fù)位鍵，啟停鍵，正轉(zhuǎn)鍵，反轉(zhuǎn)鍵，加速鍵和減速鍵。輸出端口out1,out2和out3分別連接到L298N驅(qū)動(dòng)芯片的第5、7、6腳，即in1,in2和EN_A。通過對輸入端口的控制來反應(yīng)輸出端口值的變化，以達(dá)到

57、控制電機(jī)的目的。 直流電機(jī)啟動(dòng)及停止控制仿真當(dāng)啟停鍵按下時(shí)，直流電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，再次按下時(shí)，直流電機(jī)停止運(yùn)行，其仿真結(jié)果如圖5.5所示。當(dāng)啟停鍵start為高電平1時(shí)，輸出端口out1,out2和out3的電平為101，當(dāng)啟停鍵為低電平0時(shí)，輸出端口out1,out2和out3的電平為001，完全符合L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)啟動(dòng)和停止運(yùn)行狀態(tài)的邏輯真值表。圖5.5 直流電機(jī)啟動(dòng)仿真圖 直流電機(jī)正轉(zhuǎn)控制仿真當(dāng)正轉(zhuǎn)鍵按下時(shí)，其仿真結(jié)果如圖5.6所示。此時(shí)， zheng為高電平1代表正轉(zhuǎn)鍵已按下，輸出端口out1,out2和out3的電平為101，符合L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)的邏輯真值表，此時(shí)

58、直流電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行。圖5.6 直流電機(jī)正轉(zhuǎn)仿真圖 直流電機(jī)反轉(zhuǎn)控制仿真當(dāng)反轉(zhuǎn)鍵按下時(shí)，其仿真結(jié)果如圖5.7所示。此時(shí)，fan為高電平1，代表反轉(zhuǎn)鍵已按下，輸出端口out1,out2和out3的電平為011，符合L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)的邏輯真值表，此時(shí)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。圖5.7 直流電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真圖5.5仿真圖分析利用Quartus II軟件，使用Verilog HDL語言編寫的程序，經(jīng)過程序仿真得出仿真結(jié)果與L298N驅(qū)動(dòng)芯片控制直流電機(jī)的邏輯真值表即表4.5一致。由于本設(shè)計(jì)的程序編寫是根據(jù)L298N驅(qū)動(dòng)芯片控制直流電機(jī)的邏輯真值來編寫，所以在控制直流電機(jī)的加減速時(shí)不能仿真出來。但是通

59、過另外一個(gè)程序可以把直流電機(jī)的PWM調(diào)速仿真出來，該程序主要是通過改變直流電機(jī)電樞電壓接通與斷開時(shí)間的比來控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5.10、圖5.11和5.12分別為占空比為20%、50%和80%的PWM調(diào)速仿真圖。其中start、z_f、pwm、z和f分別代表電機(jī)的啟停開關(guān)、正反轉(zhuǎn)開關(guān)、PWM調(diào)節(jié)器、正轉(zhuǎn)輸出和反轉(zhuǎn)輸出。圖5.10 占空比為20%的仿真圖圖5.11 占空比為50%的仿真圖圖5.12 占空比為80%的仿真圖設(shè)計(jì)主要通過編寫程序以周期的5%調(diào)節(jié)占空比來控制直流電機(jī)調(diào)速，直到直流電機(jī)的速度達(dá)到最大或?yàn)榱恪?.6總設(shè)計(jì)流程 設(shè)計(jì)的總流程主要通過鍵值的變化來反應(yīng)直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如圖5.

60、13所示。開始系統(tǒng)初始化啟停鍵是否按下電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行正/反轉(zhuǎn)鍵是否按下電機(jī)正/反轉(zhuǎn)運(yùn)行加/減速鍵是否按下電機(jī)加/減速運(yùn)行啟停鍵是否按下電機(jī)停止運(yùn)行結(jié)束NNNNYYYY圖5.13 系統(tǒng)總流程圖6、實(shí)物調(diào)試設(shè)計(jì)采用的電機(jī)是一般小型的直流電機(jī)，其參考電壓為3到18伏，參考電流為500到1600毫安。在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊做好后，就進(jìn)行實(shí)物調(diào)試。由于L298N驅(qū)動(dòng)電路正常工作電壓VCC在2.5到16伏之間，控制電壓Vss在4.5到7伏之間，一般取5伏。剛開始，給L298N驅(qū)動(dòng)模塊提供一個(gè)給定5伏的電壓，發(fā)現(xiàn)所給的電壓太小了，根本就驅(qū)動(dòng)不了直流電機(jī)。隨著給定電壓提高到6伏左右，驅(qū)動(dòng)模塊可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)行了