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毕业设计(论文)-基于CPLD的直流电机PWM控制器设计.doc

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毕业设计(论文)-基于CPLD的直流电机PWM控制器设计.doc

I毕业设计题目基于CPLD的直流电机PWM控制器设计II摘要直流电机由于具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制性能优良等特点。随着EDA技术的发展,用基于(复杂可编程逻辑器件)CPLD的数字电子系统对电动机进行控制,为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。该设计介绍了直流电机的PWM调速原理以及CPLD集成芯片。采用CPLD作为中央控制器件,负责信号处理,速度快、可靠性高;使用VERLIOGHDL语言编写程序更加简单方便。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。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。文中还给出了系统的硬件设计原理,给出了具体电路,讨论了各个电路模块实现的功能。论文中利用MODELSIM软件对系统进行建模、仿真。本系统是以CPLD为其控制核心,输入电路向CPLD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、启停控制、速度在线可调功能。关键词直流电机;PWM;CPLDIIIABSTRACTBECAUSEOFTHERAPIDRESPONSEDCMOTOR,PRECISIONANDHIGHEFFICIENCY,WIDESPEEDRANGE,LOADCAPACITY,GOODCONTROLPERFORMANCEANDSOONWITHTHEDEVELOPMENTOFEDATECHNOLOGY,COMPLEXPROGRAMMABLELOGICDEVICEUSINGCPLDBASEDDIGITALELECTRONICSYSTEMSONMOTORCONTROL,DIGITALCONTROLTOACHIEVETHEMOTORPROVIDESANEWANDEFFECTIVEWAYSTHISDESIGNOFPWMDCMOTORSPEEDCONTROLPRINCIPLEANDTHECPLDICISDESCRIBEDINDETAILUSINGCPLDASTHECENTRALCONTROLDEVICE,FORSIGNALPROCESSING,HIGHSPEED,HIGHRELIABILITY;ANDIT’SMUCHEASIERTOUSEVERLIOGHDLFORPROGRAMMINGDCMOTORPWMSPEEDREGULATORHASWIDESPEEDRANGE,LOWPOWERCONSUMPTION,ENABLINGONLINEDEBUGGINGANDSOONPWMDCMOTORSPEEDCONTROLSYSTEMONTHECOMPOSITIONOFTHEPROGRAM,THEHARDWARECIRCUITDESIGN,PROCESSDESIGNANDSYSTEMSIMULATIONWEREDESCRIBEDINDETAILTHEPAPERALSOGIVESTHEHARDWAREDESIGNPRINCIPLE,GIVENASPECIFICCIRCUIT,DISCUSSEDTHEFUNCTIONSOFEACHCIRCUITMODULETHEREUSINGMODELSIMSOFTWARESYSTEMMODELING,SIMULATIONTHESYSTEMISBASEDONCPLDCOREFORITSCONTROL,CONTROLSYSTEMINPUTCIRCUITTOTHECPLDCONTROLCOMMANDSISSUEDTOACTIVEFORMOFTHECLOCKOSCILLATORCIRCUITSIGNALCONTROLSYSTEMRECEIVESTHEORDERSDIRECTLYTOTHEHBRIDGEDRIVERCIRCUITPWMCONTROLSIGNALTOISSUEMAINACHIEVEDOUTPUTCIRCUITROTATING,ANDFROMSTOPCONTROL,SPEEDLINEADJUSTABLEFEATURESKEYWORDSDC;PWM;CPLD目录摘要IABSTRACTII第一章前言111课题的研究目的和意义112课题国内外研究现状213课题研究的主要内容2第二章直流电机PWM调速系统设计方案321直流电机322直流电机调速原理323直流电机PWM调速方案424CPLD的PWM调速方案5241串口通信模块6242转速调节模块6243PWM产生模块7244转向调节模块8第三章控制逻辑VERLIOGHDL描述931VERLIOGHDL硬件描述语言9311概述9312主要功能932CPLD内部逻辑组成1033运行控制逻辑电路描述11第四章直流电机PWM调速系统仿真1341CPLD开发环境的介绍1342正/反转与启/停控制仿真1343加/减速仿真1444仿真结果分析15结论16参考文献17附录118附录218附录321致谢22基于CPLD的直流电机PWM控制器设计1第一章前言11课题的研究目的和意义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。随着EDA技术的发展,用基于复杂可编程逻辑器件CPLD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。复杂可编程逻辑器件(CPLD)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CPLD实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。采用CPLD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,各项指标均能较好地满足高性能电气传动的要求。由于CPLD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。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,CPLD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CPLD具有十分重要的意义。对于本次设计目的在于(1)掌握基于CPLD的直流电机PWM控制原理,学会应用VERILOGHDL语言进行基于CPLD的直流电机PWM控制器设计2编程(2)通过对本课题的研究,掌握MODELSIMSE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。CPLD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方法,在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。本设计采用赛灵斯公司的COLLRUNNERII系列标器件来控制直流电机,讲解了设计流程,分析了现代电子产品的设计方法,并初步研究了CPLD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CPLD上,设计论述了利用CPLD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CPLD中进行组合逻辑变换,并进行仿真。12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IGBT管靠进口。近年来,我国已开发出具有自主知识产权的IGBT大电流晶体管,从而为该技术推行奠定了物质基础。PWM电机调速方案将会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。13课题研究的主要内容本设计提出基于CPLD的直流电机PWM控制,本设计详细的分析了直流电机的结构、主要技术参数、工作原理、调速原理以及正/反转、启/停原理,基于CPLD的PWM波形产生的过程,并用VERLIOGHDL描述PWM波形。本设计的所有功能均在MODELSIMSE软件下通过仿真。本设计对PWM波形数据进行测试与分析。

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