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,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目录摘要.IAbstract.II第一章前言.11.1课题的研究目的和意义.11.2课题国内外研究现状.21.3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.32.1直流电机.32.2直流电机调速原理.32.3直流电机PWM调速方案.42.4CPLD的PWM调速方案.52.4.1串口通信模块.62.4.2转速调节模块.62.4.3PWM产生模块.72.4.4转向调节模块.8第三章控制逻辑VerliogHDL描述.93.1VerliogHDL硬件描述语言.93.1.1概述.93.1.2主要功能.93.2CPLD内部逻辑组成.103.3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.134.1CPLD开发环境的介绍.134.2正/反转与启/停控制仿真.134.3加/减速仿真.144.4仿真结果分析.15结论.16参考文献.17附录1.18附录2.18附录3.21致谢.22基于CPLD的直流电机PWM控制器设计1第一章前言1.1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。1.2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