基于FPGA的直流电机综合测控系统设计.doc

数字系统设计论文（EDA技术课程答辩2013秋）题 目基于FPGA的直流电机综合测控系统设计学 院电子信息学院专 业电子信息工程班 级12047514学 号12041419,12041422学生姓名林华，马浩杰指导教师黄继业完成日期2013年12月摘要当今，在各行业中自动化控制系统已经取得了较为广泛的发展和应用，而在现在的规模化生产中，电器传动技术以直流驱动控制技术为主流有着重要作用。一直以来，因直流电动机其转速在调节上比较灵活，调节方法简单，大范围的平滑调速较容易，控制方面性能更好等特点，所以在传动领域中拥有不可动摇的地位。它在工业机器人、数控机床、等工厂设备自动化中得到广泛应用。在现代化的生产中，随着规模的不断扩大，各行各业对直流电机在技术上和数量上的需求也越来越大，并在性能上要求也更高。因此，研究出高可靠性、高性能的直流电机控制系统，并且制造出高水平的系统就有着非常现实和重要的意义。关键词：FPGA；Verilog；EDA；PWM调速摘要一、 引言1. 本课题研究背景2. 本课题的主要研究内容及意义二、 整体设计1. 功能要求2. 功能模块设计2.1. PWM脉宽调制信号发生模块2.2. 工作时钟发生器模块2.3. 消抖动模块ERZP2.4. 转向控制多路选择器模块 2.5. 8位寄存器模块2.6. 7段译码模块三、直流电机驱动控制电路顶层设计四、总结五、参考文献1、 引言1. 本课题研究背景电机作为机电能的转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域。近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的控制技术也得到了进一步的发展，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，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。采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，这种新型控制技术己经不是传统的“ 电机控制”、“电气传动” 而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。2. 本课题的主要研究内容及意义本课题是以FPGA为控制核心，实现对直流电机的转速测量和转速调节，为进一步研究和优化直流电机控制方法提供基础。设计直流电机控制系统能够充分发挥电机的特性，通过本课题，一方面训练我们在查阅资料的基础上，了解FPGA控制的一些基本技术，掌握其控制系统的分析方法与实现；另一方面通过本次设计，设计出相应的控制系统，以实现对直流电机转速的测量和转速的调节，并以此培养自己的自学和动手能力，从而今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。2、 整体设计1. 功能要求能利用FPGA控制直流电机PWM，对直流电机进行速度控制，旋转方向控制，变速控制。2. 功能模块设计2.1. PWM脉宽调制信号发生模块此模块是FPGA中的PWM脉宽调制信号产生电路。它的输出接电机转向控制电路模块，此模块输出的两个端口接电机，通过控制SL端（键K1），可以改变电机转向。它的输入端之一来自模块CNT8B。这是一个8位计数器，输出的数据相当于锯齿波信号，此信号的频率就是输出PWM波的频率。本模块的另一端来自键控的8位数据，其中低四位设定为1111，高四位由计数器CNT4B产生，计数器的时钟来自键K8。于是可以通过手动按键控制电机的转速。module SQU1(cin,adr,ot);input 7:0 cin,adr;output ot;reg ot;always (cin) begin if(adr cin) ot=1b0; else ot=1b1; endendmodule2.2. 工作时钟发生器模块主要由锁相环PLL20担任。其输入频率是20MHz；输出两个频率：C0=4096Hz,C1=5MHz.2.3. 消抖动模块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. 转向控制多路选择器模块module SLT(SL,M,m0,m1);input SL,M;output m0,m1;reg m0,m1;always (SL) case (SL) 1b1:begin m0=M; m1=1b0;end 1b0:begin m0=1b0; m1=M;end default: begin m0=M; m1=1b0;end endcaseendmodule 2.5. 8位寄存器模块module lock (d,clk,rst,Q);input clk,rst;input 7:0 d;output 7:0 Q;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段译码模块module DECL7S(A,LED7);input 3:0 A;output 6:0 LED7;reg 6:0 LED7;always (A)case(A) 4b0000:LED7=7b0111111;/04b0001:LED7=7b0000110;/14b0010:LED7=7b1011011;/24b0011:LED7=7b1001111;/34b0100:LED7=7b1100110;/44b0101:LED7=7b1101101;/54b0110:LED7=7b1111101;/64b0111:LED7=7b0000111;/74b1000:LED7=7b1111111;/84b1001:LED7=7b1101111;/9default:LED7=7b0000000;endcaseendmodule3、 直流电机驱动控制电路顶层设计4、 本文在Quartus II软件平台上实现了基于 VHDL 直流电机速度控制系统的研究设计。设计期间主要完成了以下工作： 1.Quartus II软件平台的应用。掌握了基于VHDL 语言设计的基本流程和设计输入，设计编译，功能确认，延时确认，设计仿真等模块的应用。通过应用使我对VHDL 语言深入的了解，可以熟练地使用Quartus II平台进行编程和其他应用。 2.基于VHDL 的直流电机速度控制系统的理论及其软件仿真，本直流电机速度控制系统实现了以下功能： （1）用户可自行设定电机的目标速度、速度临界差值。 （2）系统通过用户设定可以自动进行调速，达到用户指定速度要求。 本文提出的基于VHDL 的PWM 实现电路具有结构简单、容易实现等优点。但是在此设计研究过程中，有以下几点不足：基于VHDL 的数字系统设计方法、增加PWM 的精度、将理论与实际系统结合。5、