直流电动机调速控制器设计.doc

学科分类号：_湖南人文科技学院本科生毕业设计题目（中文）：直流电动机调速控制器设计（英文）：The design of DC Motor Speed Control Controller学生姓名： 陈都号 学号 05409129 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 电子信息工程2005级 指导教师： 田 汉 平 职 称： 副教授 湖南人文科技学院教务处制目录摘要1第1章绪论31.1 电机控制技术的发展31.1.1 电力电子技术的发展31.1.2 电机控制器的发展51.2 课题背景81.2.1可编程逻辑器件概述81.2.2直流电机概述81.3 本文的主要工作91.4 论文结构9第二章直流电动机调速控制器设计10设计要求101 方案设计与比较论证101.1方案一101.2 方案二101.3 方案比较论证112 电路设计122.1 直流电动机的调速122.2 PWM调速电路122.2.1 PWM介绍122.2.2 实现PWM调速142.4 直流电机速度的测定182.4.1 反馈信号的测量182.4.2 FREQTEST 模块192.4.3 计数器模块192.4.4锁存器模块203 工程引脚图214小结22参考文献24致谢25附录26附录1 程序26附录2 原理图28独创性声明29摘要在现代工业生产中电机是不可或缺的，电机分为交流电机和直流的电机，而直流电机的主要优点是能够在较大的范围内调速，因此直流电机在生产和生活中也得到广泛的应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R即可改变端电压达到调速目的，但这种传统的调压调速方法效率低。PWM (脉宽调制)是常用的一种调速方法，其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。在传统的PWM调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式，应用的元器件较多，同样会增加电路的复杂程度，随着电子技术和大规模可编程逻辑器件的发展。PWM采用软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，实现了硬件设计软件化。设计一种基于FPGA正、负脉宽可以数控同时又可以改变信号频率的直流电动机调速控制电路，并用VHDL语言实现。关键词：直流电动机，PWM，占空比，FPGA，VHDL语言。Abstract In modern industrial production is essential for the electrical, the electrical AC motor and DC into the motor, while the main advantage of DC motors is in the framework of a larger speed, the DC motor in the production and life are widely applications. DC motor speed control methods can be divided into two categories, namely, excitation control law and the armature voltage control method. Commonly used control method is to change the armature terminal voltage of the armature voltage speed control to regulate the resistance R can change the speed to achieve the purpose of terminal voltage, but the traditional method of low efficiency speed regulator. PWM (pulse width modulation) is used as a speed control method is used to change the basic principles of motor armature (stator) voltage of the connected and disconnected time ratio (duty cycle) to control the motor speed, in the vein System wide speed range, when the electric motor, its speed increased; electric power, the speed reduction. As long as the law must change in accordance with the pass, power-off time, so that motor speeds can reach and maintain a stable value. In the traditional PWM speed control system in general as a pulse generator hardware approach, the application of more components, the same will increase the complexity of the circuit, with the electronic technology and large-scale development of programmable logic devices. PWM method using software to achieve the speed of the process, greater flexibility in achieving the software of hardware design. Design of a FPGA-based positive and negative pulse width can be changed at the same time, digital signal frequency DC motor speed control circuit, and the realization of VHDL language. Keywords: DC motor, PWM, duty cycle, FPGA, VHDL language.第1章绪论1.1 电机控制技术的发展电机是一种机电能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农业生产、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。在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。这些功能的实现均要求对电机进行控制，所以，对电机的控制是电机应用的重要分支。广义的说，这些被控制的电机是指在自动控制装置或系统中使用的各种电机，它包括各种交直流伺服电动机、力矩电动机、无刷直流电动机、步进电动机等执行电动机，以及测速发电机、自整角机、旋转变压器、感应同步电动机等信号类电机。它们是伺服系统、解算系统、机电一体化装置的重要元件。现代控制电机与微电子技术、电力电子技术的结合产生了一批新型的混合式电动机，如无刷直流电动机、步进电动机、交流伺服电动机、变频调速异步电动机、开关磁阻电动机等。这些新型电机的电动机部分和电子控制部分有机的结合，组成一个不可分的整体，形成一个子系统，离开控制电路，电动机本身甚至不能运行。电机在其实际应用中，已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。在这种情况下，原先的“电机控制”“电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。 1.1.1 电力电子技术的发展 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件晶闸管(SCR)发明至今，己经历了第二代有自关断能力的电力电子器件GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件IGBT、MCT等，和如今正蓬勃发展的第四代产品功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。SCR作为最早的电力电子元件自60年代问世以来，至今其功率容量已提高了近3000倍。许多国家已能稳定生产loomm、8000V/4000A的晶闸管。尽管有自关断能力的电力电子器件的发展使晶闸管的应用领域有所减少，但由于它的高电压、大电流特性，它在大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱动应用中仍占有不可动摇的地位。自第二代GTR、MOSFET至第三代IGBT为代表的电力半导体器件的发展中，除了自关断能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提高，元件通态压降不断降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用了GTR做成的通用型变频器，GTR的开关频率约为ZkHz左右，变频器输出的最低工作频率约为3Hz，最高频率120Hz左右。而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的开关频率约达20kHz左右，变频器的最低输出频率可达0.SHz，最高工作频率可达400一50OHz。用它控制电机运行，则噪声更小，电机运行更平稳。功率MOSFET的特点是开关频率高，最高可达几百kHz。但其初期产品的最大不足是通态压降高，电流、电压容量低，故早期它主要在一些低电压、小容量的电机控制场合使用。但近年来该类元件在结构、制造上有了重大改进，将微电子制造工艺引入该功率元件的制造中。IR公司至今己推出了第八代功率MOSFET产品，性能己大为改观。自1996年以来，该公司的功率MOSFET的通态电阻以每年50%的速度下降，单位面积功耗己从最初的每平方厘米30mw降至现在的每平方厘米0.gmw，元件体积大为缩小，容量大大提高。在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者也带来极大的方便。现在己可以做到使用一片驱动电路，一路驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模拟PID闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术，具体来讲，数字控制技术在用于功率器件控制时有如下独特优点:可严格控制最小开通、最小关断时间。可严格控制死区时间。对于码盘、位置传感器、同步信号等数字输入、反馈信号，可直接使用无需变换。可以非常简单地实现SPWM控制。可将整个控制系统划分为若干不同工作状态，针对不同的状态施加不同的控制策略。借助于电流传感器、比较器，可实现限流保护、限流关断达到恒转矩控制。可进行时序滤波，进一步提高抗干扰能力。多个数字芯片可相互监视、互为看门狗。强干扰环境、远距离控制可方便地采用奇偶效验、光电隔离、电流环等数字通信技术。可进行故障自诊断、显示。 1.1.2 电机控制器的发展可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为数模混合电路，它大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近年来发展很快。作为专用集成电路(ASICApplieationSpeeifiexntegratedCireuit)的一个重要方面，目前世界上几乎所有的大半导体厂商都提供自己开发的电机控制专用集成电路。各厂商之间无统一标准，因而产品极其分散，又不断有新产品出现，为满足一次设计的需要，往往要花很大的力气和时间去收集整理资料。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现有的专用集成电路难以能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列(FPGA)可以作为一种解决方案。作为开发设备，FPGA可以方便地实现多次修改。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL或VerilogHDL)来对系统进行设计，硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。它采用三个层次的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真从而可以方便地进行数字电路设计。具体层次及其简介如下:第一层为行为描述，主要是功能描述，并可以进行功能仿真;第二层是Rl，L描述，主要是逻辑表达式地描述，并进行盯L级仿真;第三层是门级描述，即用基本的门电路进行描述，相应地进行门级仿真。最后生成门级网络表，再用专用工具生成FPGA的编程码点，就可以进行FPGA的编程了。试制成功后，如要大量生产，可以按照FPGA的设计定做AsIC芯片，降低成本。FPGA在电机控制中，最基本的要起三个作用:组合逻辑、计数器和状态机:在电机调速、变频控制中，存在大量的逻辑与、或、非运算，这是FPGA最基本运算。利用FPGA进行逻辑运算，无疑是非常方便的。为使FPGA芯片能够实现复杂的时序逻辑，应在硬件设计时提供时钟输入。对于功率器件IGBT应用来说，时钟频率达到4MHZ就足够了，使用D触发器组就可实现计数器。PWM斩波信号一般可由V/F变换、DSP计算给出、FG队自闭环计算得到，因此有可能发生不满足最小开通关断时间或死区时间的情况。为确保功率器件工作时的最小开通关断时间，可利用FPGA提供的丰富寄存器资源，构造时间计数器。由于计数器的位数直接关系到资源的占用情况，对于这一类精度不高的时间计数器应将时钟信号适当分频作为计数时钟，便于采用较少的计数器位数，计数器的最大计数值与计数时钟的乘积为计数器的最大记时值，只要它大于欲设定的时间即可。状态机的功能十分强大，其资源需求也相当可观。状态机规定了事件的合法状态及转换条件，对于既有时序规定，又对信号有条件要求的场合非常适用。在电机控制中，状态机的使用是十分普遍的。EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。高集成度、高速和高可靠是CPLD最明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题川。这就是采用CPLD来控制直流电机而不采用单片机的原因。噪音是测试电机性能的一个重要的指标。若要测试出噪音的精确值，除了需要特定的隔音良好的静音室，还要在控制电机过程中杜绝发出其他声音。硬件按钮不能做到毫无噪音，按钮的按下和弹回都会发出声音。可以利用静音室外的计算机来远程控制静音室里的电机工作，就能测出正转，反转，加速，减速，匀速时的精确的噪音值。1.2 课题背景1.2.1可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件(progranunableLogieDeviee，pLD)是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。目前生产和使用的PLD产品主要有可编程只读存储器(PROM)、现场可编程逻辑阵列(Field prograxnmableLogieArr盯，FpLA)、可编程阵列逻辑(proanunableArrayLogie，PAL)、通用阵列逻辑(GenericArrayLoglc，GAL)、可擦除的可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(Complex progranunableLogieDeviee，CpLD)、现场可编程门阵列(FieldprogranunableGate Arra苏rPoA)等几钟类型12。其中EPLD、ePLD、FpGA的集成度较高，属于高密度PLD。CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统3。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10，000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。经过几十年的发展，许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用片:AlteraEpM7128s(pLCC84)LattieeLC4128V(TQFploo)，Xilinx的XC95los(pLCC84)。本设计就是采用XC95108芯片来控制直流电机。1.2.2直流电机概述在电机的发展史上，直流电机发明得较早，它的电源是电池。迄今为止，工业领域里仍有使用直流电机的，这是由于直流电机具有调速范围广，易于平滑调速;启动、制动和过载转矩大;易于控制，可靠性较高。直流电机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。传统的转速控制多用直流电动机，这是由于直流电动机可以通过改变电枢输入电压以及调节励磁电流实现无级调速。因为直流电机转矩与电枢电流和励磁磁通两者的乘积成正比，而且电枢电流和励磁磁通两者可以独立控制，动态性能好，所以在现代调速系统中仍然有一定的市场。但是直流电机存在着结构复杂，造价昂贵，机械换向器与电刷之间存在换向火花等问题，而且维修困难，尤其不适应第l章绪论在恶劣的环境中工作l4。直流电机的主要缺点是换向问题，它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量l5。为了克服这个缺点，许多人在研究交流电机的调速，也取得了一定的效果，在某些调速场合可以代替直流电机。这是发展的方向。但是，反过来由于利用了可控硅整流电源，使直流电机的应用增加了一个有利因素。目前使用直流电机的场合也很多。1.3 本文的主要工作本文以直流电机控制系统为背景，以直流电机控制器为研究对象，结合直流电机控制技术，计算机串口通信技术，CPLD系统芯片技术，以实现基于CPLD作为带有计算机串口接口功能的电机控制器使计算机来控制直流电机。主要工作如下:1. 对传统的直流电机进行研究，分析其工作原理。如何控制直流电机正转，反转，加速，减速和匀速工作。2. 建立系统测试的软硬件平台，从计算机控制和具有接口的控制器两个方面对原型系统进行测试和评价，以验证该种新结构的可行性。1.4 论文结构本文共分2章，第1章为绪论，主要提出课题的来源、意义和相关的研究背景，同时介绍本文所做的工作。第2章介绍当前直流电机的工作原理，传统的电机控制电路。分析如何控制直流电机正转、反转、速度控制。第二章直流电动机调速控制器设计设计要求(1) 以FPGA为基础采用EDA技术控制直流电动机的正反转与调速(2) 要求能通过按键调节直流电动机的转速并能显示当前转速。(3) 设计好FPGA的JTAG下载接口及AS模式下载接口。(4) 在EDA/SOPC实验开发系统GW48-PK2TM上进行测试。(5) 用Protel DXP画出整个电路的原理图及PCB板图。1 方案设计与比较论证1.1方案一根据电机学可知,直流电动机的转速n的表达式为:n = (U - IR ) /K式中U为电枢端电压； I为电枢端电流；R 为电枢电路总电阻； 为每极磁通量； K为电机结构参数。 要想改变直流电机的速度可以通过改变电枢电路总电阻R，这样就可以改变直流电机转速，再通过改变直流电压的方向即可该改变电机的转动方向。原理图如下：电阻控制电枢电路正转反转速度控制直流电机图1 方案一原理图 1.2 方案二PWM调速控制原理和输入输出电压波形如图1所示，当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，电机电枢两端有电压为Us； t1 秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为0；t2 秒后，驱动信号又变为低电平，开关管重复前面的过程。电机电枢两端电压平均值为:U0 = ( t1 Us + 0) / ( t1 + t2 ) = ( t1 Us ) /T =DUs.直流电机FPGA控制芯片正转速度控制反转图2 方案二原理图 式中D为占空比, D = t1 /T. 因Us 为定值，改变D即可实现PWM调速，本设计从脉宽t1 和频率f两个方面出发，进行PWM调速的模块化设计。方案二原理图如下：1.3 方案比较论证 在实际应用中直流电动机要保证操控的准确性，方案一中利用电枢电路的总电阻来控制电机的转速显然从转速的精确度上来看不是很理想，另外由于是模拟电路对于电阻的改变不是很方便。方案二通过改变电枢电路两端的电压来改变直流电机的转速从另一路经达到改变转速的目的。在这种设计思路中我利用FPGA的系统性把主要的控制程序储存在这一芯片中，利用数字电路来控制电路提高了操作的准确性，符合试验要求。要想改变直流电机的转速只需改变一些程序即可带来操作上的方便。通过对比这两个方案并在指导老师的建议下我最终选择了方案二。2 电路设计2.1 直流电动机的调速 许多生产机械、家用电器，其工作机构的转速要求能够用人为方法进行调节，以满足生产工艺过程的需要。电力拖动系统通常采用两种调速方法，一种是电动机的转速不变，通过改变机械传动机构(如齿轮、皮带等)的速比实现调速，这种方法称为机械调速，其特点是传动机构比较复杂，调速时一般需要停机，且多为有级调速;另一种是通过改变电动机的参数调节电动机的转速，从而调节生产机械转速的方法，称为电气调节。其特点是传动机构比较简单，调速时不要停机，可以实现无级调速，其易于实现电气控制自动化。也有一些负载机械将机械调速和电气调速配合使用。电气调速是指在负载转矩不变的条件下，通过人为的方法改变电动机的有关参数，从而调节电动机和整个拖动系统的转速。它励直流电动机的调速方法有三种:电枢回路串联电阻调速，降压调速，弱磁调速。2.2 PWM调速电路2.2.1 PWM介绍脉冲宽度调制(PWM)是一种颇为理想的直流电机调速方法，其中双模式PWM控制很适合于中小型功率的宽调速伺服系统中；对于500W以下的高精度快速响应伺服系统,可优先选取双极模式PWM方案。而H型双极性模式PWM功率转换电路只需单一电源供电，晶体管耐相对较低,应用较为广泛。采用PLD(CPLD或FPGA)作为PWM控制器在本课题中具有以下优点：可减轻没有PWM模式的控制器的负担；PLD集成度高,省去了外部D/A、模拟比较器,而且可以减小普通数字电路产生PWM的干扰问题；开关频率调整方便、功能易修改、可在线编程，具有很强的通用性；接口简单、响应速度快，适于PWM全数字化控制。采用PLD产生PWM波形的方法很多，常用的有计数器法、存储查表法。本文采用的CPLD没有嵌入式EAB所构成的LPM_ROM单元，只能采用计数器法产生PWM波形。计数器法不仅能对脉冲计数,还可以用于定时、分频、产生节拍脉冲等，可控精度高，具有良好的实用价值。脉冲宽度调制 脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向 * 启动定时器 * 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 2.2.2 实现PWM调速根据电机学可知,直流电动机的转速n的表达式为:n = (U - IR ) /K式中U为电枢端电压； I为电枢端电流；R 为电枢电路总电阻； 为每极磁通量； K为电机结构参数。 要想改变直流电机的速度可以通过改变电枢电路总电阻R，这样就可以改变直流电机转速，再通过改变直流电压的方向即可该改变电机的转动方向。PWM调速控制原理和输入输出电压波形如图1所示，当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，电机电枢两端有电压为Us； t1 秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为0；t2 秒后，驱动信号又变为低电平，开关管重复前面的过程。电机电枢两端电压平均值为:U0 = ( t1 Us + 0) / ( t1 + t2 ) = ( t1 Us ) /T =DUs.图3 pwm产生图式中D为占空比, D = t1 /T. 因Us 为定值，改变D即可实现PWM调速，本设计从脉宽t1 和频率f两个方面出发，进行PWM调速的模块化设计。利用eda工具绘制的原理图如下：图3 pwm产生原理图图中decd模块LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY DECD ISPORT ( CLK : IN STD_LOGIC; DSPY : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; D : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ; ARCHITECTURE one OF DECD IS SIGNAL CQ : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS( CQ ) BEGIN CASE CQ IS WHEN 00 = D D D D NULL ; END CASE ; END PROCESS ; PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 then CQ = CQ + 1; END IF; END PROCESS; DSPY D D D D = 1110 ;图中cnt5模块LIBRARY IEEE; 4进制计数器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT5 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; AA : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END CNT5;ARCHITECTURE behav OF CNT5 IS SIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 then if CQI=1111 THEN CQI=0000; ELSE CQI = CQI + 1; END IF; END IF; END PROCESS; AA b比较器cmp模块设计需要设计一个比较器宏模块ab如下图：由比较器的原理可知dataadatab时输出高电平，dataadatab时输出低电平，根据dataa给定的不同预定值，和datab中的计数值进行比较即可得到pwm波形，根据不同的速度需求输出的pwm波形就会呈现不同的占空比如下图所示：图5 pwm波形图 对于直流电机转向的控制只需改变电压信号的方向即可，电机转向控制原理图如下：图6 电机转向控制图 电机转向控制的关键模块mux21a内部组成如下图：图7 mux21a内部图2.4 直流电机速度的测定 2.4.1 反馈信号的测量各种PWM波的调速系统，离不开被控电机的电压、电流或转速等反馈信息。反馈信号的测取对调速系统的性能有着重要的影响。反馈信号通常分为两类:一类是电压和电流的反馈信号;另一类是转速和位置的反馈信号。电压和电流反馈信号的测取电压和电流的检测一般有三种方法电阻法互感器法和霍尔传感器对于直流及非正弦的交流电压和电流信号的隔离传送，最好的方法是用霍尔电压和电流传感器。霍尔传感器不仅可实现被测电路与反馈电路的可靠隔离，而且具有以下优点:l) 可以测量任意波形的电压和电流信号频带宽可测量从直流到100kHZ的各种信号。2) 线性度好，测量区间宽，测量精度高。3) 响应速度快，延迟和响应时间均小于0.1us。4) 过载能力强，使用安全。当被测量大大超过额定值时，内部电路及磁路均有饱和限幅作用，不会损坏传感器。2.4.2 FREQTEST 模块直流电机速度的测量需要借助模块FREQTEST该模块如下图所示： 图8 模块FREQTEST图中端口cntt主要输入直流电机转速脉冲，在直流电机转速脉冲输入到测速模块freqtest时首先进入计数器模块如下所示图9 freqtest内部结构2.4.3 计数器模块对于计数器的设计我们可以利用vhdl语言另外我们也可定制宏模块如下所示图10 cnt宏定制图中clock主要用来接受直流电机的转速脉冲，clk_en受外部控制当外部控制信号是高电平时允许计数，低电平时停止计数。在1秒计数结束后要对计数器进行清零操作这时就要用的aclr端口。2.4.4锁存器模块当高电平时允许计数，低电平停止计数，并保持其所计的脉冲数。在停止计数期间，首先需要一个锁存信号load的上跳沿将计数器在前一秒的计数值锁存进锁存器reg中，并又外部的十六进制七段译码器译出，显出计数值，设置锁存器的好处是数据显示稳定，不会由于周期性的清0信号而不断闪烁。锁存器模块如下：图11 锁存器定制3 工程引脚图 整个工程在经过设计框架，绘制原理图在编译成功的情况下就可以锁定引脚了本试验工程所需要的引脚比较多需特别仔细否则就又出错的可能，在本试验中我选择模式5在查了引脚资料后把相应的引脚锁定。锁定的引脚如下，在锁定引脚之后在把整个工程编译一下最后下载到EDA试验平台上即可。图12 工程引脚图4小结图12 工程引脚图为了验证本文所提出的基于FPGA计算机控制直流电机的可行性，本文制作了电机控制精灵软件，建立了一个信号测试硬件平台，从软件和硬件两个方面，对该电机控制原型系统进行了测试。测试结果证明基于FPGA计算机控制直流电机是可行的。本文针对为了达到准确测试出电机运转过程中发出的噪音大小，需要电机控制器和被测的直流电机放在静音室内，而工作人员需要在静音室外通过计算机远程控制直流电机。这样在没有产生额外的噪音下测出电机运转的准确噪音大小。具体的工作总结如下:(l)首先要研究当前电机控制器芯片的功能和特点，指出其稳定性和准确性存在不足。(2)使用新型FPGA来代替当前控制器芯片(单片机)，要对FPGA芯片结构要有一定的了解。熟练ALTERA公司的Quartusll或者XILINX公司的ISE编译软件，懂得硬件描述语言VHDL。(3)必须充分理解和掌握计算机FPGA的通信;基于FPGA控制电机电机这两大技术才能实现通过计算机远程控制直流电机。(4)在硬件上，必须要理解直流电机一些外观结构材料和工作原理，通过工作原理制作桥式电路和PWM控制器等。(5)在以上工作的基础上，利用FPGA开发板，实现基于FPGA电机控制的原型系统。从远程控制和电机控制信号仿真两方面对原型系统进行测试。目前本文仅仅是实现了一个简单电机控制的原型系统，还有如下值得改进的地方:首先，在系统中实现远程通信时并未考虑数据通信的安全性问题，所以不能阻止恶意的攻击和数据篡改行为。其次，本文所采用的运动控